Introductie
De afgelopen jaren heeft de verpakking van halfgeleiders een aanzienlijke transformatie ondergaan. Dit komt door de toenemende vraag naar verbeterde functionaliteit, kleinere afmetingen en meer veelzijdigheid.
Binnen het hedendaagse PCBA-ontwerp worden twee belangrijke technieken gebruikt om componenten op een printplaat te bevestigen: through-hole-technologie en surface-mount-technologie.
U vraagt zich echter misschien af wat de verschillen zijn tussen oppervlaktemontage en doorlopende montage. Dit artikel belicht de belangrijkste verschillen tussen deze twee PCB-assemblagemethoden.
Surface Mount-technologie (SMT)
Surface-mount technologie, vaak afgekort als SMT, is een innovatieve assemblage- en productiemethode voor het direct bevestigen van componenten op een printplaat (PCB) die gelijk ligt met het oppervlak. Deze baanbrekende aanpak is bedacht als opvolger van de voorheen gangbare "through-hole"-technologie.
De oorsprong van SMT gaat terug tot de jaren 1960. De brede toepassing ervan begon pas in 1986, toen surface-mounted componenten een aanzienlijk marktaandeel van 10% begonnen te veroveren. Aan het begin van de jaren 1990 hadden surface-mount devices (SMD's) zich stevig verankerd in de meeste geavanceerde printplaatassemblages.
IBM was een groot voorstander van baanbrekend werk in de ontwikkeling van surface-mount technologie. Al in 1960 toonde IBM zijn eerste praktische demonstratie van SMT, met een compact computermodel dat later werd toegepast in de Launch Vehicle Digital Computer for the Instrument Unit, een instrumentele component die zowel de Saturn IB als de Saturn V ruimtesondes bestuurde.
Bovendien zijn de componenten voor oppervlaktemontage op ingenieuze wijze ontworpen met kleine lipjes of eindkappen, waardoor SMD's met soldeer stevig op het oppervlak van de printplaat kunnen worden bevestigd.
Het tijdrovende boorproces, dat speciaal was ontworpen om elk onderdeel precies te laten passen, werd later vervangen door de SMT-methode, waardoor deze gaten niet meer nodig waren. Het ontwerp van SMD's met minder of geen gaten veroorzaakte een enorme transformatie in de PCB-assemblage, wat aanzienlijke voordelen opleverde.
Een van de meest opvallende voordelen van SMT was de mogelijkheid om aanzienlijk kleinere componenten te integreren met behoud van een goede hechting op de printplaat. Kleinere componenten leidden vanzelfsprekend tot een hogere componentdichtheid, een ontwikkeling die bevestiging vond in de sfeer van "de Wet van Moore". Oorspronkelijk werd verondersteld dat de dichtheid van moederbordcomponenten jaarlijks zou verdubbelen tussen 1965 en 1975, maar later werd deze gewijzigd naar een tweejaarlijkse verdubbelingsfrequentie.
En nu, vandaag de dag, is SMT alomtegenwoordig in vrijwel elke categorie elektronische apparaten, van kinderspeelgoed en koffiezetapparaten tot de alomtegenwoordige smartphones en laptops die ons digitale leven vormgeven.
Hoewel het voortdurend veranderende technologielandschap ruimte biedt voor nieuwe methodologieën, is het duidelijk dat oppervlaktemontagetechnologie in de nabije toekomst een duurzaam en fundamenteel aspect van elektronicaproductie zal blijven.
Terminologie die u moet kennen over SMT
Op het gebied van elektronicafabricage bestaat er een uitgebreide reeks terminologieën die verband houden met surface-mount-technologie (SMT):
● SMA (Surface-Mount Assembly): Hiermee wordt het construeren of assembleren van een circuit of module bedoeld met behulp van de surface-mount-technologie (SMT).
● SMC (Surface-Mount Componenten): Betreft de verschillende elektronische elementen die speciaal zijn ontworpen voor gebruik in SMT-toepassingen (surface-mount technology).
● SMD (Surface-Mount Devices): Omvat een breed spectrum aan elektronische componenten, zowel actieve als passieve componenten, samen met elektromechanische elementen, die allemaal bedoeld zijn voor integratie in SMT-gebaseerde circuits.
● MKB (oppervlakte-gemonteerde apparatuur): Betekent de gespecialiseerde machines en apparatuur die speciaal zijn ontworpen voor de uitvoering van Surface-Mount Technology (SMT)-assemblageprocessen.
● SMP (Surface Mount-pakketten): Duidt op de verschillende behuizingsvormen of behuizingen die zijn ontworpen voor oppervlaktemontage-apparaten (SMD's) in elektronische systemen.
● SMT (Surface-Mount-technologie): Omvat het volledige scala aan praktijken en technieken die worden toegepast bij de assemblage en montage van elektronische componenten op printplaten, en die een hoeksteen vormen van hedendaagse elektronische technologieproductieprocessen.
Soorten Surface Mount Devices (SMD)
Surface Mount Devices (SMD's) omvatten een breed spectrum aan elektronische componenten die zorgvuldig zijn ontworpen voor directe bevestiging op een printplaat (PCB). Hierdoor zijn conventionele doorvoergaten of aansluitingen niet meer nodig.
Deze veelzijdige componenten vertonen een breed scala aan vormen, afmetingen en functies en vervullen diverse rollen binnen elektronische schakelingen. Hieronder volgen enkele van de meest voorkomende voorbeelden van SMD's:
● Oppervlaktegemonteerde weerstanden (SMD-weerstanden): Deze passieve componenten regelen de elektrische stroom in een circuit en bieden een veelvoud aan weerstandswaarden en vermogens die geschikt zijn voor uiteenlopende toepassingen.
● Oppervlaktegemonteerde condensatoren (SMD-condensatoren): Condensatoren die elektrische energie opslaan en ontladen, zijn verkrijgbaar in verschillende typen, waaronder keramische, tantaal- en aluminium-elektrolytische varianten.
● Opbouw-inductoren (SMD-inductoren): Deze componenten slaan energie op in magnetische velden en worden voornamelijk gebruikt in filters en radiofrequentie (RF)-circuits.
● SMD-diodes (oppervlaktemontagediodes): Diodes die eenrichtingsstroom mogelijk maken, omvatten standaarddiodes, Schottky-diodes en zenerdiodes binnen het bereik van oppervlaktemontagetechnologie.
● Surface Mount Transistors (SMD Transistors): Transistoren, cruciale halfgeleidercomponenten voor versterking en schakeling, omvatten een assortiment van typen zoals NPN-, PNP-, N-kanaal- en P-kanaal-MOSFET's in de SMD-categorie.
● SMD LED's (oppervlaktemontage-LED's): LED's (light-emitting diodes) lichten op als er elektrische stroom doorheen gaat. Ze worden veel gebruikt in indicatielampjes en displays binnen de SMD-categorie.
● Surface Mount Integrated Circuits (SMD IC's)Deze uitgebreide elektronische schakelingen, in één behuizing ondergebracht, kunnen onder andere microcontrollers, analoge IC's en digitale IC's omvatten.
● Opbouwconnectoren: Deze connectoren zijn speciaal ontworpen voor Surface Mount Technology (SMT)-toepassingen en maken elektrische verbindingen tussen printplaten of externe apparaten.
● Opbouwschakelaars: SMT-schakelaars vervullen diverse gebruikersinterface- en bedieningsfuncties. Ze zijn verkrijgbaar in verschillende typen, zoals drukknoppen, tactiele schakelaars en schuifschakelaars.
● Opbouwkristallen en oscillatoren: Deze componenten leveren nauwkeurige timing- en kloksignalen, die cruciaal zijn voor de synchronisatie van elektronische schakelingen.
● Opbouwtransformatoren: SMT-transformatoren spelen een belangrijke rol in voedingen en communicatiecircuits door spanningstransformatie en isolatie te bieden.
● Opbouw spanningsregelaars: Deze componenten zorgen voor een stabiele uitgangsspanning en spelen een cruciale rol in toepassingen voor energiebeheer.
Deze vormen slechts een deel van het uitgebreide aanbod van oppervlaktegemonteerde apparaten. De keuze van SMD's is afhankelijk van de specifieke vereisten van het elektronische circuit of apparaat dat wordt ontwikkeld. De compacte afmetingen en operationele efficiëntie die inherent zijn aan SMD's, maken ze een fundamentele keuze binnen de hedendaagse elektronicaproductie.
Voordelen van Surface Mount-technologie
1. Miniaturisatieprestatie
De afmetingen en het volume van elektronische SMT-componenten overtreffen die van through-hole-componenten aanzienlijk, wat vaak leidt tot een reductie van 60% tot 70%, waarbij sommige componenten zelfs een verbluffende reductie van 90% in grootte en volume laten zien. Bovendien kan het gewicht van deze componenten met maar liefst 60% tot 90% worden verlaagd.
2. Versnelde signaaloverdracht
SMT-assemblage blinkt niet alleen uit in compactheid, maar biedt ook een indrukwekkende veiligheidsdichtheid, met een assemblagedichtheid van 5.5 tot 20 soldeerpunten per vierkante centimeter bij dubbelzijdige PCB-montage. De resulterende SMT-geassembleerde PCB's maken een snelle signaaloverdracht mogelijk dankzij hun minimale circuitlengte en minimale vertraging. Bovendien verbetert de bestendigheid van SMT-geassembleerde PCB's tegen trillingen en schokken hun geschiktheid voor ultrasnelle elektronische processen.
3. Verbeterde hogefrequentieprestaties
Het ontbreken van aansluitingen of de aanwezigheid van korte aansluitingen in SMT-componenten zorgt op natuurlijke wijze voor een verlaging van de gedistribueerde parameters van het circuit en vermindert radiofrequentie-interferentie, wat resulteert in gunstige hoogfrequente karakteristieken.
4. Automatiseringsvoordelen en verbeterde productie
SMT blinkt uit in geautomatiseerde productie met gestandaardiseerde, geserialiseerde en consistente lasomstandigheden voor chipcomponenten. Deze automatisering vermindert componentstoringen die te wijten zijn aan het soldeerproces, wat de algehele betrouwbaarheid verhoogt en de productie-efficiëntie verbetert.
5. Economisch materiaalgebruik
Efficiëntieverbeteringen in productieapparatuur en een lager verbruik van verpakkingsmateriaal hebben de verpakkingskosten van de meeste SMT-componenten verlaagd, waardoor ze kosteneffectiever zijn dan vergelijkbare producten met through-hole technologie (THT) van een vergelijkbaar type en met vergelijkbare functionaliteit. Hierdoor zijn SMT-componenten scherper geprijsd dan THT-componenten.
6. Gestroomlijnde productieprocessen en kostenreductie
Bij het monteren van componenten op printplaten is het buigen, vormen of bijsnijden van componentaansluitingen niet meer nodig, waardoor het hele proces wordt gestroomlijnd en de productie-efficiëntie wordt verhoogd. De verwerkingskosten voor het realiseren van hetzelfde functionele circuit zijn doorgaans lager dan die van through-hole interpolatie, wat doorgaans resulteert in een totale kostenbesparing van 30% tot 50%.
Nadelen van Surface Mount-technologie
1. Dure investering in apparatuur
De implementatie van een Surface-Mount-technologie (SMT) PCB-assemblagelijn vereist een aanzienlijke financiële inzet vanwege de hoge kosten die gepaard gaan met SMT-apparatuur, waaronder reflow-ovens, pick-and-place-machines, soldeerpasta-zeefdrukkers en SMD-reworkstations met hete lucht.
2. Uitdagend inspectieproces
De inspectie van SMT-assemblages brengt aanzienlijke uitdagingen met zich mee, vooral omdat de meeste opbouwcomponenten klein zijn en talrijke soldeerpunten hebben. Componenten met een Ball Grid Array (BGA) behuizing brengen extra complexiteit met zich mee, omdat de soldeerbolletjes en -punten onder het component verborgen zitten, waardoor inspectie een lastige opgave wordt. Bovendien hangt er een stevig prijskaartje aan de apparatuur die voor SMT-inspectie wordt gebruikt.
3. Kwetsbaarheid voor schade
SMD-componenten zijn gevoelig voor schade, vooral bij verkeerde behandeling of een val. Hun gevoeligheid voor elektrostatische ontlading (ESD) vereist gespecialiseerde ESD-producten voor veilige behandeling en verpakking. SMD-componenten worden doorgaans in een gecontroleerde cleanroomomgeving beheerd om het risico op schade te beperken.
4. Dure kleinschalige productie
De productie van SMT PCB-prototypes of kleine series kan financieel complex zijn. Bovendien brengt het proces technische complexiteit met zich mee die een hoog niveau van expertise en training vereist.
5. Beperkte beschikbaarheid van stroom
Surface-mount technologie omvat niet alle actieve en passieve elektronische componenten, wat leidt tot beperkingen in het beschikbare vermogen. SMD-componenten hebben over het algemeen een lager vermogen dan hun through-hole-tegenhangers.
Through Hole-technologie
Bij doorgaande-gatmontage worden componentkabels in nauwkeurig geboorde gaten in een kale printplaat geplaatst. Vóór de komst van SMT in de jaren 1980 was doorgaande-gattechnologie de gangbare configuratiemethode in de industrie.
Hoewel de efficiëntie en kosteneffectiviteit van oppervlaktemontage deze technologie naar de voorgrond hebben gestuwd, is het wellicht voorbarig om te voorspellen dat doorlopende gaten overbodig zullen worden.
Met name de through-hole-techniek, die weliswaar in populariteit afneemt, heeft zich in het SMT-tijdperk bewezen als een opmerkelijk veelzijdige techniek met diverse voordelen en gespecialiseerde toepassingen. Een opvallend kenmerk van through-hole-technologie is de inherente duurzaamheid, die tegenwoordig vaak wordt versterkt door de aanwezigheid van ringvormige ringen, die zorgen voor robuuste verbindingen die de tand des tijds doorstaan.
Axiale versus radiale aansluitingen
Binnen het domein van doorlopende componenten zijn er twee primaire classificaties: radiale en axiale componenten, elk met unieke eigenschappen. Axiale draden lopen in een rechte lijn door een component, komen aan beide uiteinden ("axiaal") uit en passen door afzonderlijke gaten op de printplaat.
Zowel radiale als axiale componenten worden beschouwd als "dubbele" aansluitcomponenten, elk met specifieke voordelen. Axiale aansluitcomponenten hebben de voorkeur vanwege hun goede integratie met de printplaat, wat een veilige verbinding garandeert. Radiale aansluitingen zijn daarentegen zeer geschikt voor compacte printplaten met een hoge dichtheid en beperkte ruimte, dankzij hun minimale oppervlaktebeslag.
Radiale aansluitcomponenten worden doorgaans weergegeven als schijfcondensatoren. Deze variaties in aansluitconfiguratie spelen in op een breed scala aan elektronische ontwerpvereisten en -voorkeuren.
Voordelen van Through Hole-technologie
1. Verhoogde betrouwbaarheid
PCB-assemblage met Through-Hole-technologie (THT) biedt een superieure betrouwbaarheid in vergelijking met assemblage met Surface Mount-technologie (SMT). De verhoogde betrouwbaarheid is te danken aan de fysieke verankering van componenten aan de printplaat via gaten en solderen, waardoor het risico op losraken of losraken van componenten tijdens gebruik wordt beperkt. Bovendien zijn THT-componenten robuust genoeg om hogere stroom- en spanningsniveaus te verwerken, waardoor ze ideaal zijn voor toepassingen die veel vermogen vereisen.
2. Kostenefficiëntie
THT PCB-assemblages hebben doorgaans een lager prijskaartje dan hun SMT-tegenhangers. Dit kostenvoordeel is te danken aan de lagere kosten die gepaard gaan met THT-componenten en het vereenvoudigde assemblageproces. Het grotere formaat van THT-componenten maakt ze niet alleen hanteerbaarder tijdens de assemblage, maar vermindert ook de kans op schade, wat uiteindelijk leidt tot kostenbesparingen. Bovendien dragen hun eenvoudige verkrijgbaarheid en betaalbaarheid op de markt bij aan de kosteneffectiviteit.
3. Naadloze reparatie en vervanging
THT PCB-assemblage maakt eenvoudige reparaties en componentvervanging mogelijk. Het doorlopende ontwerp vereenvoudigt de identificatie en vervanging van defecte componenten, evenals de reparatie van beschadigde bedrading en doorlopende gaten. Bovendien kunnen THT-componenten eenvoudig worden verwijderd en vervangen met een soldeerbout, waardoor er geen speciale apparatuur nodig is.
Nadelen van Through Hole-technologie
1. Beperkte componentdichtheid
PCB's met doorlopende gaten (through-hole) hebben een beperking in de componentdichtheid. Dit komt doordat componenten aan één kant van de printplaat worden geplaatst, met hun aansluitingen door gaten naar de andere kant. Componenten moeten daarom breder uit elkaar worden geplaatst om contact tussen de aansluitingen te voorkomen. THT-printplaten zijn daardoor vaak omvangrijker en nemen meer fysieke ruimte in beslag dan PCB's met oppervlaktemontage (surface mount technology, SMT).
2. Handmatig montageproces
De assemblage van THT-printplaten is voornamelijk een handmatige klus die hoge vaardigheid en precisie vereist. Componenten worden nauwkeurig aan één kant van de printplaat geplaatst, waarna de aansluitingen door gaten naar de andere kant worden geregen, waarna ze worden gebogen en gesoldeerd. Dit arbeidsintensieve proces is inherent tijdrovend en gevoelig voor menselijke fouten. Bovendien bemoeilijkt de handmatige aard van de assemblage de automatisering van de productie van THT-printplaten, wat efficiëntieverbeteringen in de weg staat.
3. Verhoogd risico op schade aan componenten
Er is een groot risico op beschadiging van componenten tijdens het handmatige assemblageproces. Het plaatsen van draden kan leiden tot buigen of breken, waardoor componenten niet meer werken. Bovendien kan het soldeerproces, indien niet nauwkeurig temperatuurgecontroleerd, componenten blootstellen aan overmatige hitte, wat kan leiden tot mogelijke schade. Deze factoren dragen bij aan een hoger aantal defecten en een lagere productieopbrengst.
Belangrijkste verschillen tussen doorlopende gaten en oppervlaktemontagetechnologieën
Hier onderzoeken we de belangrijke verschillen tussen doorlopende montage en opbouwmontage.
1. Interconnectiesterkte
Doorlopende componenten: Through-hole componenten staan bekend om hun robuuste verbindingen. De draden lopen door de printplaat heen, wat zorgt voor sterkere en duurzamere verbindingen tussen de lagen.
Componenten voor oppervlaktemontage: SMT-componenten worden daarentegen alleen met soldeer op het oppervlak van de printplaat bevestigd, waardoor deze minder goed bestand is tegen omgevingsbelasting.
2. Milieubestendigheid
Doorlopende componenten: Through-hole technologie blinkt uit in omgevingen waar producten extreme omstandigheden kunnen ervaren, zoals snelle acceleraties, botsingen met hoge snelheid of extreme temperaturen. De doordringende verbindingen zorgen ervoor dat componenten deze belastingen effectief kunnen weerstaan.
Componenten voor oppervlaktemontage: SMT-componenten zijn over het algemeen minder goed bestand tegen extreme omgevingsomstandigheden vanwege hun oppervlakte-soldeerverbindingen.
3. Industrie toepassingen
Doorlopende componenten: Through-hole technologie vindt zijn oorsprong in zeer betrouwbare industrieën zoals de militaire en lucht- en ruimtevaart. Deze sectoren vereisen componenten die bestand zijn tegen zware omstandigheden, waardoor through-hole componenten de voorkeurskeuze zijn.
Componenten voor oppervlaktemontage: SMT-componenten worden vaker gebruikt in consumentenelektronica en toepassingen waarbij omgevingsstress niet de primaire zorg is.
4. Veelzijdigheid in testen en prototypen
Doorlopende componenten: Through-hole componenten zijn zeer geschikt voor test- en prototypingtoepassingen. Dankzij de doorlaatbare verbindingen zijn handmatige aanpassingen en componentvervangingen relatief eenvoudig.
Componenten voor oppervlaktemontage: SMT-componenten kunnen lastiger te gebruiken zijn bij tests en prototypes, omdat ze doorgaans op het oppervlak gesoldeerd zijn en niet eenvoudig handmatig aangepast kunnen worden.
Kortom, de keuze tussen through-hole- en opbouwmontagetechnologie hangt af van de specifieke eisen van een project. Through-hole-technologie biedt superieure betrouwbaarheid en veerkracht in veeleisende omgevingen, waardoor het een uitstekende keuze is voor toepassingen met hoge belasting. Opbouwmontagetechnologie daarentegen blinkt uit in meer standaard consumentenelektronica en toepassingen waar omgevingsbelasting minder van belang is.
Dit is dus het voornaamste verschil tussen een doorlopend gat en een oppervlaktemontage.
Andere soorten PCB-assemblage
Naast oppervlaktemontage en doorlopende gaten zijn er nog een paar andere PCBA-methoden. Hieronder staan er een paar.
Stijf-flexibele PCBA
Rigid-flex PCB's vertegenwoordigen een harmonieuze convergentie van rigide en flexibele printplaattechnologieën. Deze gespecialiseerde printplaten zijn ontworpen om de eigenschappen van zowel rigide als flexibele substraten te integreren. Componenten worden op zowel rigide als flexibele onderdelen van de printplaat gemonteerd.
De kern van rigid-flex PCB's bestaat doorgaans uit meerdere lagen flexibele circuitsubstraten, die op complexe wijze extern of intern verbonden zijn met één of meerdere rigide panelen. Deze ontwerpflexibiliteit speelt in op de unieke eisen van diverse toepassingen.
Gemengde Vergadering
In het steeds veranderende landschap van de PCB-productie is surface mount-technologie (SMT) onmiskenbaar aan populariteit gewonnen. De complexiteit van moderne elektronische apparaten vereist echter soms een combinatie van assemblagemethoden.
In dergelijke scenario's is een combinatie van surface mount- en through-hole-technologie op dezelfde PCB noodzakelijk. Deze combinatie van assemblagetechnieken, uitgevoerd zonder soldeerpasta tijdens de productie, wordt toepasselijk "gemengde assemblage" of "hybride assemblage" genoemd.
BGA-vergadering
Ball grid arrays (BGA's), ook wel chip carriers genoemd, vertegenwoordigen een baanbrekend aspect van surface-mount technologie. Deze innovatieve behuizingen zijn speciaal ontworpen om geïntegreerde schakelingen nauwkeurig te omhullen. Bij permanente installatie van cruciale componenten zoals microprocessoren is BGA-behuizing de absolute top.
Relatief gezien is traditioneel
dubbele in-line of platte behuizingen verbleken qua capaciteit van de connectorpennen. BGA's benutten de volledige breedte van hun onderkant voor connectiviteit, wat een aanzienlijk voordeel biedt ten opzichte van hun voorgangers door de beschikbare ruimte optimaal te benutten.
Conclusie
Concluderend heeft onze verkenning van moderne PCB-assemblagetechnologieën licht geworpen op de cruciale rol van zowel surface mount-technologie als through-hole-technologie in de elektronische industrie. Het naast elkaar bestaan van deze twee benaderingen onderstreept de noodzaak van aanpasbaarheid en maatwerk in de PCB-productie.
Oppervlaktemontagetechnologie wordt veel gebruikt in de hedendaagse elektronica. De technologie biedt ruimtebesparende voordelen en gestroomlijnde montageprocessen, waardoor deze technologie ideaal is voor een breed scala aan consumentenelektronica en compacte apparaten.
Aan de andere kant blijven through-hole componenten en technologie onmisbaar voor toepassingen die robuuste verbindingen en veerkracht in zware omgevingsomstandigheden vereisen, zoals die voorkomen in de militaire en lucht- en ruimtevaartsector.
Daarnaast verdiepte het artikel zich in de intrigerende wereld van rigid-flex PCB's en gemengde assemblage. Deze laatste integreert naadloos zowel SMT- als THT-benaderingen om aan specifieke eisen te voldoen.
Bovendien is de introductie van de Ball Grid Array (BGA)-assemblage een voorbeeld van de niet-aflatende zoektocht van de industrie naar ruimteoptimalisatie en verbeterde connectiviteit, wat met name relevant is voor hoogwaardige microprocessoren en geïntegreerde schakelingen.
In essentie vormen SMT en THT nog steeds de basis waarop moderne elektronica is gebouwd. Elke technologie biedt unieke voordelen die inspelen op een breed spectrum aan toepassingen en uitdagingen. De dynamische wisselwerking tussen deze methodologieën getuigt van de aanpasbaarheid en innovatie die de elektronica-industrie vooruithelpen. Hopelijk begrijpt u nu het verschil tussen surface mount en through hole.
Op zoek naar een PCB- of PCBA-offerte? Neem nu contact op.
