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在航空航天和汽車行業(yè)等高應(yīng)力環(huán)境中，印刷電路板 （PCB） 的耐用性可以決定系統(tǒng)性能的成敗。那么，為什么通孔元件在這些要求苛刻的應(yīng)用中仍然必不可少呢？簡而言之，與表面貼裝器件 （SMD） 相比，通孔元件在溫度循環(huán)下具有卓越的機(jī)械強(qiáng)度、抗振性和可靠性。這使它們成為不允許失敗的應(yīng)用程序的首選。

什么是通孔元件，為什么它們很重要？

通孔元件是帶有引線的電子部件，這些引線插入 PCB 上的預(yù)鉆孔中，并在另一側(cè)焊接。這種安裝技術(shù)在組件和電路板之間建立了牢固的物理粘合，即使在壓力下也能確保穩(wěn)定性。與直接焊接到 PCB 表面的表面貼裝器件不同，通孔元件可穿透電路板，提供可承受機(jī)械和環(huán)境挑戰(zhàn)的堅(jiān)固連接。

在高應(yīng)力應(yīng)用中，例如航空航天和汽車系統(tǒng)中的應(yīng)用，耐用性不僅是一種偏好，而且是一種要求。這些行業(yè)經(jīng)常面臨極端振動(dòng)、溫度波動(dòng)和物理沖擊。通孔組件由于其安全安裝和處理重負(fù)載的能力而在這些條件下表現(xiàn)出色，使其成為關(guān)鍵系統(tǒng)不可或缺的材料。

通孔元件的抗振性：一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢

通孔組件的突出優(yōu)點(diǎn)之一是其出色的抗振性。在汽車系統(tǒng)等環(huán)境中，持續(xù)運(yùn)動(dòng)和道路條件會(huì)產(chǎn)生持續(xù)振動(dòng)，PCB 必須保持穩(wěn)定以防止故障。通孔元件的引線穿過電路板并在兩側(cè)焊接，形成牢固的錨栓，在強(qiáng)烈振動(dòng)下防止松動(dòng)或脫落。

例如，在一項(xiàng)關(guān)于振動(dòng)應(yīng)力下 PCB 性能的研究中，通孔安裝元件的故障率低于 2%，而在類似條件下，SMD 的故障率超過 10%。這是因?yàn)槲锢聿迦牒秃附舆^程提供了機(jī)械聯(lián)鎖，可以吸收和分配振動(dòng)能量，從而降低裂紋或斷開的風(fēng)險(xiǎn)。

在航空航天應(yīng)用中，湍流和高速行駛會(huì)放大振動(dòng)，這種阻力更為關(guān)鍵。飛行控制系統(tǒng)或航空電子設(shè)備中的組件必須在不斷晃動(dòng)的情況下保持運(yùn)行。通孔技術(shù)確保連接保持完整，從而保護(hù)生命攸關(guān)系統(tǒng)的完整性。

通孔元件溫度循環(huán)：專為極端環(huán)境而設(shè)計(jì)

溫度循環(huán)（反復(fù)暴露在極熱和極冷的條件下）對(duì)高應(yīng)力環(huán)境中的 PCB 構(gòu)成了另一個(gè)挑戰(zhàn)。例如，汽車電子設(shè)備必須在寒冷的冬天和炎熱的夏天可靠地運(yùn)行，溫度波動(dòng)通常在 -40°C 到 85°C 或更高之間。同樣，航空航天系統(tǒng)在飛行過程中會(huì)遇到劇烈的溫度變化，從地面高溫到高海拔的零度以下條件。

通孔元件非常適合處理這些波動(dòng)。它們的焊接引線與 PCB 形成牢固的熱連接，與依賴表面接觸的 SMD 相比，散熱效果更好。這降低了熱膨脹導(dǎo)致焊點(diǎn)故障的風(fēng)險(xiǎn)。此外，許多通孔元件（如電解電容器）的尺寸較大，通常意味著它們可以承受熱應(yīng)力而不會(huì)降低性能。

可靠性測試數(shù)據(jù)表明，通孔焊點(diǎn)在出現(xiàn)疲勞跡象之前可以承受 1,000 多次溫度循環(huán)，而典型的 SMD 連接大約需要 500 次循環(huán)。這種耐用性可確保 PCB 在惡劣環(huán)境中長時(shí)間保持功能，從而降低維護(hù)成本和停機(jī)時(shí)間。

通孔與 SMD 機(jī)械強(qiáng)度：在惡劣條件下的明顯贏家

在比較通孔與 SMD 機(jī)械強(qiáng)度時(shí)，前者在高應(yīng)力情況下始終優(yōu)于 SMD。表面貼裝器件雖然是緊湊和輕量級(jí)設(shè)計(jì)的理想選擇，但缺乏具有重大物理應(yīng)力的環(huán)境所需的結(jié)構(gòu)完整性。SMD 焊接在 PCB 表面上，使其容易受到剪切力、沖擊和振動(dòng)的影響，這些都會(huì)破壞焊料鍵合。

另一方面，通孔元件受益于它們與 PCB 的深度集成。穿過電路板的引線提供三維連接，可抵抗來自多個(gè)方向的力。這對(duì)于變壓器或連接器等大型組件尤其重要，因?yàn)檫@些組件由于其尺寸和重量而經(jīng)常受到機(jī)械應(yīng)力。

在實(shí)踐中，考慮制造工廠中使用的重型工業(yè)控制系統(tǒng)。PCB 可能需要支撐在運(yùn)行過程中經(jīng)常受到機(jī)械沖擊的笨重組件。通孔安裝可確保這些部件保持牢固連接，在一些耐久性研究中，機(jī)械應(yīng)力下的故障率低至 1%，而在類似條件下，SMD 的故障率高達(dá) 8%。

雖然 SMD 因其空間效率和易于自動(dòng)組裝而在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中占據(jù)主導(dǎo)地位，但它們?cè)跈C(jī)械強(qiáng)度不容商量的應(yīng)用中往往達(dá)不到要求。對(duì)于優(yōu)先考慮可靠性而不是緊湊性的設(shè)計(jì)人員來說，通孔元件是更好的選擇。

航空航天通孔元件：可靠性高于一切

在航空航天工業(yè)中，安全和性能至關(guān)重要，通孔組件起著至關(guān)重要的作用。航空電子系統(tǒng)、衛(wèi)星電子設(shè)備和飛行控制單元必須在極端振動(dòng)、溫度波動(dòng)和輻射暴露的條件下完美運(yùn)行。這些系統(tǒng)中的單個(gè)故障可能會(huì)造成災(zāi)難性的后果，因此耐用性成為重中之重。

通孔元件由于能夠承受惡劣條件，因此通常用于航空航天 PCB 中的關(guān)鍵部件，例如電源穩(wěn)壓器和高壓電容器。它們堅(jiān)固的連接確保即使在高海拔飛行期間也能保持信號(hào)穩(wěn)定，因?yàn)楦呖诊w行的溫度可能降至 -50°C 以下，并且湍流產(chǎn)生的振動(dòng)是恒定的。

此外，航空航天設(shè)計(jì)經(jīng)常要求組件在維護(hù)期間是可維修或可更換的。與微型 SMD 相比，通孔元件更容易拆焊和更換，這在現(xiàn)場維修中可能是一個(gè)顯著優(yōu)勢。這種實(shí)用性，加上其固有的耐用性，使通孔技術(shù)成為航空航天工程的主要產(chǎn)品。

汽車通孔元件：應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)

汽車行業(yè)是通孔元件大放異彩的另一個(gè)領(lǐng)域。現(xiàn)代車輛從發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元 （ECU） 到信息娛樂系統(tǒng)，一切都嚴(yán)重依賴電子設(shè)備。這些系統(tǒng)必須承受駕駛的持續(xù)振動(dòng)、極端溫度，甚至在發(fā)生碰撞時(shí)的物理沖擊。

通孔元件通常用于汽車 PCB 中與電源相關(guān)的部件，例如繼電器和大型電容器，這些部件需要處理大電流并抵抗機(jī)械應(yīng)力。其安全安裝可確保即使在崎嶇地形或突然停止時(shí)，連接也能保持完整。例如，在電動(dòng)汽車 （EV） 中，通孔元件在電池管理系統(tǒng)中至關(guān)重要，其中穩(wěn)定的電力輸送對(duì)于安全性和效率至關(guān)重要。

可靠性數(shù)據(jù)顯示，在典型駕駛條件下，關(guān)鍵部件采用通孔技術(shù)的汽車 PCB 的使用壽命超過 15 年，而在類似環(huán)境中，完全基于 SMD 的設(shè)計(jì)的使用壽命較短。這種使用壽命意味著更少的故障和召回，為制造商節(jié)省了大量成本。

在現(xiàn)代 PCB 設(shè)計(jì)中平衡通孔和 SMD

雖然通孔組件具有無與倫比的耐用性，但值得注意的是，它們并不總是最適合每種應(yīng)用。它們?cè)?PCB 上占用更多空間，并且需要額外的鉆孔，這可能會(huì)增加制造成本。相比之下，SMD 允許更密集的布局，并且與自動(dòng)組裝更兼容，使其成為尺寸和成本比極端耐用性更重要的消費(fèi)電子產(chǎn)品的理想選擇。

許多現(xiàn)代 PCB 設(shè)計(jì)通過使用混合方法來取得平衡。需要高機(jī)械強(qiáng)度或必須承受惡劣條件的關(guān)鍵部件使用通孔技術(shù)進(jìn)行安裝，而更小、應(yīng)力較小的部件則采用表面貼裝。此策略優(yōu)化了可靠性和效率，以滿足應(yīng)用程序的特定需求。

然而，對(duì)于高應(yīng)力行業(yè)，優(yōu)先考慮關(guān)鍵元件的通孔元件仍然是提高 PCB 整體耐用性的行之有效的方法。設(shè)計(jì)人員可以戰(zhàn)略性地為最容易受到振動(dòng)、溫度循環(huán)或機(jī)械應(yīng)力影響的區(qū)域選擇通孔部件，從而確保整個(gè)系統(tǒng)保持穩(wěn)健。

通孔元件的挑戰(zhàn)和注意事項(xiàng)

盡管具有優(yōu)點(diǎn)，但通孔元件也存在一些缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員必須考慮這些缺點(diǎn)。安裝所需的鉆孔過程會(huì)增加生產(chǎn)時(shí)間和成本，尤其是對(duì)于復(fù)雜的多層板。此外，這些孔減少了布線信號(hào)走線的可用空間，這可能會(huì)使緊湊系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)復(fù)雜化。

然而，這些挑戰(zhàn)往往被高應(yīng)力應(yīng)用中的好處所抵消。制造的進(jìn)步還使得集成通孔組件變得更加容易，而不會(huì)顯著增加成本，特別是對(duì)于可靠性是主要關(guān)注點(diǎn)的小批量生產(chǎn)。

對(duì)于從事耐久性至關(guān)重要的項(xiàng)目的工程師來說，使用通孔組件的權(quán)衡只是一個(gè)很小的代價(jià)，而增強(qiáng)的可靠性帶來了安心。在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行仔細(xì)規(guī)劃可以減少大多數(shù)限制，確保最終產(chǎn)品同時(shí)滿足性能和預(yù)算目標(biāo)。

通孔元件的持久價(jià)值

在高應(yīng)力應(yīng)用中，振動(dòng)、溫度循環(huán)和機(jī)械沖擊是日常挑戰(zhàn)，通孔元件仍然是提高 PCB 耐用性的重要選擇。它們卓越的抗振性、承受極端溫度的能力以及無與倫比的機(jī)械強(qiáng)度使其成為航空航天和汽車等行業(yè)不可或缺的產(chǎn)品，在這些行業(yè)中，可靠性可能關(guān)系到生死。

雖然表面貼裝器件在緊湊、成本敏感的設(shè)計(jì)中占有一席之地，但在需要堅(jiān)固性能的環(huán)境中，它們往往無法滿足要求。通過利用通孔技術(shù)的優(yōu)勢（無論是通過混合方法還是完全實(shí)施），工程師可以制造出能夠承受最惡劣條件的 PCB，而不會(huì)影響安全性或功能性。

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