Introduction
Au cours des dernières années, le conditionnement des semi-conducteurs a subi une transformation notable en raison d’un besoin croissant de fonctionnalités améliorées, de dimensions réduites et d’une polyvalence accrue.
En matière de conception de circuits imprimés contemporains, deux techniques principales sont utilisées pour fixer des composants à une carte de circuit imprimé : la technologie des trous traversants et la technologie de montage en surface.
Cependant, vous vous interrogez peut-être sur les différences entre le montage en surface et l'insertion traversante. Cet article met en lumière les principales différences entre ces deux méthodes d'assemblage de circuits imprimés.
Technologie de montage en surface (SMT)
La technologie de montage en surface (CMS), communément abrégée en anglais, représente une méthode d'assemblage et de production innovante permettant de fixer directement des composants sur un circuit imprimé (PCB), en les alignant avec sa surface. Cette approche révolutionnaire a été conçue pour succéder à la technologie « through hole » jusqu'alors répandue.
La genèse du CMS remonte aux années 1960, et son adoption généralisée n'a commencé qu'en 1986, lorsque les composants montés en surface ont commencé à conquérir une part de marché substantielle de 10 %. À l'aube des années 1990, les composants montés en surface (CMS) étaient déjà solidement ancrés dans la plupart des circuits imprimés de pointe.
IBM a principalement défendu les travaux pionniers dans le développement de la technologie de montage en surface. Dès 1960, IBM a présenté sa première démonstration pratique de montage en surface (CMS), en dévoilant un modèle d'ordinateur compact qui a ensuite trouvé une application dans le calculateur numérique du véhicule de lancement pour l'unité d'instruments, un composant instrumental guidant les sondes Saturn IB et Saturn V.
De plus, les composants de la technologie de montage en surface ont été ingénieusement conçus avec des languettes ou des embouts minuscules, facilitant l'application de soudure pour fixer fermement les CMS sur la surface du PCB.
Le processus de perçage, fastidieux et adapté à chaque composant, a ensuite été remplacé par la méthode CMS, qui a supprimé ces trous de perçage. La conception de CMS avec des trous de perçage réduits, voire inexistants, a accéléré une transformation radicale de l'assemblage des circuits imprimés, offrant des avantages considérables.
L'un des principaux avantages de la technologie CMS résidait dans la possibilité d'intégrer des composants nettement plus petits tout en maintenant une adhérence optimale au circuit imprimé. La taille réduite des composants a naturellement engendré une densité accrue, une évolution validée par la « loi de Moore ». Initialement postulée pour un doublement annuel de la densité des composants de la carte mère entre 1965 et 1975, cette loi a ensuite été modifiée pour adopter un taux de doublement biennal.
Aujourd'hui, la technologie SMT a envahi pratiquement toutes les catégories d'appareils électroniques, des jouets pour enfants et des cafetières aux smartphones et ordinateurs portables omniprésents qui façonnent notre vie numérique.
Bien que le paysage technologique en constante évolution laisse place à de nouvelles méthodologies, il est évident que la technologie de montage en surface restera une facette durable et fondamentale de la fabrication électronique dans un avenir prévisible.
Terminologie à connaître sur SMT
Dans le domaine de la fabrication électronique, il existe un ensemble complet de terminologies associées à la technologie de montage en surface (CMS) :
● SMA (assemblage de montage en surface) : Cela désigne la construction ou l'assemblage d'un circuit ou d'un module utilisant la technologie de montage en surface (SMT).
● CMS (composants à montage en surface) : Désigne les différents éléments électroniques spécifiquement conçus pour être utilisés dans les applications de technologie de montage en surface (CMS).
● CMS (dispositifs à montage en surface) : Couvre un large éventail de composants électroniques, couvrant à la fois les composants actifs et passifs, ainsi que les éléments électromécaniques, tous destinés à être intégrés dans des circuits basés sur SMT.
● PME (Équipements de montage en surface) : Désigne les machines et équipements spécialisés adaptés à l'exécution des processus d'assemblage de la technologie de montage en surface (CMS).
● SMP (boîtiers de montage en surface) : Désigne les diverses formes de boîtiers ou boîtiers conçus pour accueillir des dispositifs à montage en surface (CMS) dans les systèmes électroniques.
● CMS (technologie de montage en surface) : Couvre toute la gamme des pratiques et techniques employées dans l'assemblage et le montage de composants électroniques sur des circuits imprimés, constituant une pierre angulaire des processus de fabrication de technologies électroniques contemporaines.
Types de dispositifs à montage en surface (CMS)
Les dispositifs de montage en surface (CMS) englobent un large éventail de composants électroniques méticuleusement conçus pour une fixation directe sur la surface d'une carte de circuit imprimé (PCB), éliminant ainsi le besoin de trous traversants ou de fils conventionnels.
Ces composants polyvalents présentent une grande variété de formes, de dimensions et de fonctions, remplissant divers rôles au sein des circuits électroniques. Parmi les différents CMS, voici quelques exemples parmi les plus courants :
● Résistances à montage en surface (résistances CMS) : Ces composants passifs régulent le flux de courant électrique dans un circuit, offrant une multitude de valeurs de résistance et de puissances nominales adaptées à diverses applications.
● Condensateurs à montage en surface (condensateurs CMS) : Les condensateurs responsables du stockage et de la décharge de l'énergie électrique sont disponibles dans différents types, notamment des variantes électrolytiques en céramique, en tantale et en aluminium.
● Inductances à montage en surface (inductances CMS) : Ces composants stockent l’énergie dans des champs magnétiques et sont principalement déployés dans des filtres et des circuits radiofréquence (RF).
● Diodes à montage en surface (diodes CMS) : Les diodes facilitant le flux de courant unidirectionnel englobent les diodes standard, les diodes Schottky et les diodes Zener dans le domaine de la technologie de montage en surface.
● Transistors à montage en surface (transistors CMS) : Les transistors, dispositifs semi-conducteurs essentiels pour l'amplification et la commutation, présentent un assortiment de types tels que les MOSFET NPN, PNP, à canal N et à canal P dans la catégorie CMS.
● LED à montage en surface (LED CMS) : Les diodes électroluminescentes (DEL), qui s'allument lorsque le courant électrique les traverse, sont largement utilisées dans les voyants lumineux et les écrans de la catégorie CMS.
● Circuits intégrés à montage en surface (CI CMS):Ces circuits électroniques complets, enfermés dans un seul boîtier, peuvent comprendre des microcontrôleurs, des circuits intégrés analogiques et des circuits intégrés numériques, entre autres.
● Connecteurs de montage en surface : Spécialement conçus pour les applications de technologie de montage en surface (SMT), ces connecteurs établissent des connexions électriques entre des circuits imprimés ou des périphériques externes.
● Interrupteurs à montage en surface : Les commutateurs CMS remplissent diverses fonctions d'interface utilisateur et de contrôle. Ils sont disponibles en plusieurs types, tels que les interrupteurs à bouton-poussoir, tactiles et coulissants.
● Cristaux et oscillateurs à montage en surface : Ces composants fournissent des signaux de synchronisation et d'horloge précis, essentiels à la synchronisation des circuits électroniques.
● Transformateurs à montage en surface : Les transformateurs SMT jouent un rôle essentiel dans les alimentations électriques et les circuits de communication en assurant la transformation et l'isolation de la tension.
● Régulateurs de tension à montage en surface : Ces composants assurent une tension de sortie stable, jouant un rôle essentiel dans les applications de gestion de l'alimentation.
Ces composants ne représentent qu'un sous-ensemble de la vaste gamme de composants montés en surface disponibles, le choix des CMS dépendant des exigences spécifiques du circuit ou du dispositif électronique en développement. Leurs dimensions compactes et leur efficacité opérationnelle en font un choix fondamental dans la fabrication électronique contemporaine.
Avantages de la technologie de montage en surface
1. Réussite de miniaturisation
Les dimensions et le volume occupés des composants électroniques CMS surpassent largement ceux des composants traversants, entraînant souvent des réductions de 60 à 70 %, certains composants subissant des réductions de taille et de volume étonnantes de 90 %. De plus, le poids de ces composants peut être considérablement réduit de 60 à 90 %.
2. Transmission accélérée du signal
L'assemblage CMS excelle non seulement par sa compacité, mais offre également une densité de sécurité impressionnante, atteignant des densités d'assemblage de 5.5 à 20 soudures par centimètre carré lors de l'application de circuits imprimés recto verso. Les circuits imprimés assemblés CMS ainsi obtenus facilitent la transmission de signaux à haut débit grâce à leur longueur de circuit et leur faible retard. De plus, leur résistance aux vibrations et aux chocs renforce leur aptitude aux opérations électroniques à très haut débit.
3. Performances haute fréquence améliorées
L'absence de fils ou la présence de fils courts dans les composants SMT réduit naturellement les paramètres distribués du circuit et atténue les interférences de radiofréquence, aboutissant à des caractéristiques haute fréquence favorables.
4. Avantages de l'automatisation et production améliorée
La technologie CMS excelle dans la production automatisée grâce à des conditions de soudage standardisées, sérialisées et homogènes pour les composants de puces. Cette automatisation réduit les défaillances de composants dues au processus de soudage, améliorant ainsi la fiabilité globale et l'efficacité de la production.
5. Utilisation économique des matériaux
L'amélioration de l'efficacité des équipements de production et la réduction de la consommation de matériaux d'emballage ont permis de réduire les coûts d'emballage de la plupart des composants CMS, les rendant plus rentables que leurs homologues à technologie traversante (THT) de type et de fonctionnalités équivalents. Par conséquent, les composants CMS sont proposés à des prix plus compétitifs que les composants THT.
6. Processus de production rationalisés et réduction des coûts
Lors du montage de composants sur des circuits imprimés, il n'est plus nécessaire de plier, de façonner ou de découper les broches, ce qui simplifie l'ensemble du processus et améliore l'efficacité de la production. Le coût de traitement pour obtenir le même circuit fonctionnel est généralement inférieur à celui de l'interpolation traversante, ce qui se traduit généralement par une réduction du coût total de production de 30 à 50 %.
Inconvénients de la technologie de montage en surface
1. Investissement coûteux en équipement
La mise en œuvre d'une technologie de montage en surface Ligne d'assemblage de circuits imprimés (SMT) nécessite un engagement financier substantiel en raison du coût élevé associé aux équipements CMS, notamment les fours de refusion, les machines de prélèvement et de placement, les imprimantes sérigraphiques à pâte à souder et les stations de reprise CMS à air chaud.
2. Processus d'inspection difficile
L'inspection des assemblages CMS pose des défis majeurs, principalement parce que la plupart des composants montés en surface sont compacts et comportent de nombreuses soudures. Les composants à boîtier BGA (Ball Grid Array) ajoutent à la complexité, car leurs billes et leurs soudures sont dissimulées sous le composant, ce qui rend l'inspection complexe. De plus, le prix des équipements utilisés pour l'inspection CMS est élevé.
3. Vulnérabilité aux dommages
Les composants CMS sont susceptibles d'être endommagés, notamment en cas de mauvaise manipulation ou de chute. Leur sensibilité aux décharges électrostatiques (DES) nécessite l'utilisation de produits antistatiques spécialisés pour une manipulation et un emballage sûrs. Les composants CMS sont généralement gérés dans une salle blanche contrôlée afin de limiter les risques de dommages.
4. Production coûteuse à petite échelle
La production de prototypes de circuits imprimés CMS ou de petites séries peut s'avérer financièrement exigeante. De plus, le processus implique des complexités techniques qui requièrent un haut niveau d'expertise et de formation.
5. Disponibilité énergétique limitée
La technologie de montage en surface ne couvre pas tous les composants électroniques actifs et passifs, ce qui entraîne des contraintes en termes de puissance disponible. En général, les composants CMS ont des puissances nominales inférieures à celles de leurs homologues traversants.
Technologie de trou traversant
Le montage traversant consiste à insérer les broches des composants dans des trous minutieusement percés sur un circuit imprimé nu. Avant l'avènement de la CMS dans les années 1980, la technologie traversante était la méthode de configuration standard dominante dans l'industrie.
Bien que l'efficacité et la rentabilité du montage en surface l'aient propulsé au premier plan, prédire l'obsolescence du montage traversant pourrait être prématuré.
Il est à noter que la technique du trou traversant, bien que connaissant un déclin de popularité, s'est révélée remarquablement polyvalente à l'ère du CMS, offrant divers avantages et applications spécialisées. L'un de ses principaux atouts est sa durabilité intrinsèque, désormais souvent renforcée par la présence de bagues annulaires, garantissant des connexions robustes et à l'épreuve du temps.
Câbles axiaux et radiaux
Parmi les composants traversants, on distingue deux grandes catégories : les composants radiaux et les composants axiaux, chacun possédant des caractéristiques uniques. Les broches axiales traversent le composant en ligne droite, sortant des deux extrémités (« axialement ») et s'insérant dans des trous distincts de la carte.
Les composants radiaux et axiaux sont considérés comme des composants à doubles broches, chacun offrant des avantages distincts. Les composants à broches axiales sont privilégiés pour leur parfaite intégration à la carte, garantissant une connexion sécurisée. En revanche, les broches radiales sont particulièrement adaptées aux cartes compactes à haute densité où l'espace est limité, grâce à leur faible encombrement.
Les composants à broches radiales sont généralement représentés par des condensateurs à disque. Ces variations de configuration des broches répondent à un large éventail d'exigences et de préférences en matière de conception électronique.
Avantages de la technologie des trous traversants
1. Fiabilité accrue
L'assemblage de circuits imprimés par technologie de trous traversants (THT) offre une fiabilité supérieure à celle des circuits imprimés montés en surface (CMS). Cette fiabilité accrue est due à l'ancrage physique des composants sur la carte par des trous et des soudures, ce qui réduit le risque de délogement ou de détachement des composants en cours de fonctionnement. De plus, les composants THT résistent à des niveaux de courant et de tension plus élevés, ce qui les rend idéaux pour les applications exigeant une puissance importante.
2. Rentabilité
Les assemblages de circuits imprimés THT sont généralement moins chers que leurs homologues CMS. Cet avantage financier s'explique par la réduction des coûts associés aux composants THT et par la simplification du processus d'assemblage. Leur taille plus importante facilite non seulement leur assemblage, mais réduit également les risques de dommages, ce qui se traduit par des économies. De plus, leur facilité d'approvisionnement et leur prix abordable contribuent à leur rentabilité.
3. Réparation et remplacement sans faille
L'assemblage de circuits imprimés THT simplifie les réparations et le remplacement des composants. La conception traversante simplifie l'identification et le remplacement des composants défectueux, ainsi que la réparation des câbles et des traversées endommagés. De plus, les composants THT peuvent être facilement extraits et remplacés à l'aide d'un fer à souder, éliminant ainsi le besoin d'équipement spécialisé.
Inconvénients de la technologie des trous traversants
1. Densité des composants restreinte
La technologie des circuits imprimés traversants présente une densité de composants limitée. Ce problème est dû au fait que les composants sont positionnés d'un côté de la carte, leurs broches passant par les trous de l'autre côté. Par conséquent, les composants doivent être espacés plus largement pour éviter tout contact entre broches. Par conséquent, les circuits imprimés THT ont tendance à être plus volumineux et à occuper davantage d'espace physique que la technologie CMS (montage en surface).
2. Processus d'assemblage manuel
L'assemblage de circuits imprimés THT est une opération essentiellement manuelle exigeant un savoir-faire et une précision irréprochables. Les composants sont méticuleusement positionnés d'un côté de la carte, puis leurs broches sont enfilées dans les trous de l'autre côté, avant d'être pliées et soudées. Ce processus, exigeant en main-d'œuvre, est chronophage et sujet aux erreurs humaines. De plus, la nature manuelle de l'assemblage complique les perspectives d'automatisation de la production de circuits imprimés THT, freinant ainsi les gains d'efficacité.
3. Risque élevé de dommages aux composants
Le processus d'assemblage manuel présente un risque élevé d'endommagement des composants. L'insertion de fils peut entraîner leur pliage ou leur rupture, rendant les composants inutilisables. De plus, le processus de soudure, s'il n'est pas méticuleusement contrôlé en température, peut exposer les composants à une chaleur excessive, ce qui peut les endommager. Ces facteurs contribuent à l'augmentation des taux de défauts et à la réduction des rendements de production.
Principales différences entre les technologies de montage traversant et de montage en surface
Ici, nous explorons les distinctions critiques entre le montage traversant et le montage en surface.
1. Force d'interconnexion
Composants traversants : Les composants traversants sont réputés pour leurs interconnexions robustes. Leurs fils traversent le circuit imprimé, assurant des connexions plus solides et plus durables entre les couches.
Composants de montage en surface : En revanche, les composants SMT sont fixés uniquement par soudure sur la surface de la carte, qui peut être moins résistante face aux contraintes environnementales.
2. Résilience environnementale
Composants traversants : La technologie des trous traversants excelle dans les environnements où les produits sont exposés à des conditions extrêmes, telles que des accélérations rapides, des collisions à grande vitesse ou des températures extrêmes. Ses connexions pénétrantes permettent aux composants de résister efficacement à ces contraintes.
Composants de montage en surface : Les composants SMT sont généralement moins aptes à gérer des conditions environnementales extrêmes en raison de leurs connexions soudées uniquement en surface.
3. Applications industrielles
Composants traversants : La technologie des trous traversants trouve sa place dans les secteurs à haute fiabilité comme l'armée et l'aérospatiale. Ces secteurs nécessitent des composants résistants aux conditions difficiles, ce qui fait des composants traversants un choix privilégié.
Composants de montage en surface : Les composants CMS sont plus couramment utilisés dans l’électronique grand public et les applications où le stress environnemental n’est pas une préoccupation majeure.
4. Polyvalence dans les tests et le prototypage
Composants traversants : Les composants traversants sont parfaitement adaptés aux applications de test et de prototypage. Leurs connexions pénétrables simplifient considérablement les réglages manuels et le remplacement des composants.
Composants de montage en surface : Les composants SMT peuvent être plus difficiles à utiliser dans les scénarios de test et de prototypage, car ils sont généralement soudés à la surface sans accès facile pour les réglages manuels.
En résumé, le choix entre la technologie traversante et la technologie de montage en surface dépend des exigences spécifiques du projet. La technologie traversante offre une fiabilité et une résilience supérieures dans les environnements exigeants, ce qui en fait un choix de choix pour les applications soumises à de fortes contraintes. En revanche, la technologie de montage en surface excelle dans l'électronique grand public plus standard et les applications où les contraintes environnementales sont moins importantes.
C'est donc la principale différence entre le montage traversant et le montage en surface.
Autres types d'assemblage de circuits imprimés
Outre les techniques de montage en surface et de perçage traversant, il existe d'autres méthodes de PCBA. En voici quelques-unes.
PCBA rigide-flexible
Les circuits imprimés flexo-rigides représentent une convergence harmonieuse des technologies de circuits imprimés rigides et flexibles. Ces circuits imprimés spécialisés sont conçus pour intégrer les caractéristiques des substrats rigides et flexibles. Les composants seront montés sur les deux parties de la carte.
Le cœur des circuits imprimés flexo-rigides est généralement constitué de plusieurs couches de substrats de circuits souples, étroitement connectés, en externe ou en interne, à un ou plusieurs panneaux rigides. Cette flexibilité de conception répond aux exigences spécifiques de diverses applications.
Assemblage mixte
Dans le paysage en constante évolution de la production de circuits imprimés, la technologie de montage en surface (CMS) a indéniablement gagné en importance. Cependant, la complexité des appareils électroniques modernes nécessite parfois une combinaison de méthodes d'assemblage.
Dans de tels scénarios, il est impératif d'associer les technologies de montage en surface et de montage traversant sur un même circuit imprimé. Cette fusion de techniques d'assemblage, réalisée sans utilisation de pâte à braser en production, est appelée à juste titre « assemblage mixte » ou « assemblage hybride ».
Assemblage BGA
Les matrices à billes (BGA), également appelées supports de puce, représentent une facette de pointe de la technologie de montage en surface. Ces boîtiers innovants sont spécialement conçus pour encapsuler les circuits intégrés avec précision. Pour l'installation permanente de composants essentiels comme les microprocesseurs, le boîtier BGA est la solution idéale.
Comparativement, les méthodes traditionnelles
double en ligne Les boîtiers plats sont peu performants en termes de capacité de broches de connecteur. Les BGA exploitent toute l'étendue de leur surface inférieure pour la connectivité, offrant un avantage substantiel par rapport à leurs prédécesseurs en optimisant l'utilisation de l'espace disponible.
Conclusion
En conclusion, notre exploration des technologies modernes d'assemblage de circuits imprimés a mis en lumière le rôle essentiel des technologies de montage en surface et de montage traversant dans l'industrie électronique. La coexistence de ces deux approches souligne la nécessité d'adaptabilité et de personnalisation dans la production de circuits imprimés.
La technologie de montage en surface, qui domine l'électronique contemporaine, offre des avantages en termes d'économie d'espace et de processus d'assemblage rationalisés, ce qui la rend idéale pour une large gamme d'appareils électroniques grand public et d'appareils compacts.
D’autre part, les composants et la technologie traversants restent indispensables pour les applications exigeant des interconnexions robustes et une résilience dans des conditions environnementales difficiles, telles que celles rencontrées dans les secteurs militaire et aérospatial.
L'article explore également le domaine fascinant des circuits imprimés rigides-flexibles et de l'assemblage mixte. Ce dernier intègre parfaitement les approches CMS et THT pour répondre à des exigences spécifiques.
De plus, l'introduction de l'assemblage Ball Grid Array (BGA) illustre la quête incessante de l'industrie en matière d'optimisation de l'espace et de connectivité améliorée, particulièrement pertinente pour les microprocesseurs et les circuits intégrés hautes performances.
Fondamentalement, les technologies CMS et THT demeurent le fondement de l'électronique moderne, chacune offrant des avantages uniques répondant à un large éventail d'applications et de défis. L'interaction dynamique entre ces méthodologies témoigne de l'adaptabilité et de l'innovation qui font progresser l'industrie électronique. J'espère que vous avez maintenant compris la différence entre montage en surface et montage traversant.
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