Введение
За последние несколько лет корпусирование полупроводников претерпело заметные изменения в связи с растущей потребностью в улучшенной функциональности, уменьшении размеров и повышении универсальности.
При проектировании современных печатных плат применяются два основных метода крепления компонентов к печатной плате: технология сквозного монтажа и технология поверхностного монтажа.
Однако вы можете задаться вопросом о различиях, которые отличают поверхностный монтаж и вставку через сквозное отверстие. Эта статья прольет свет на основные различия между этими двумя методами сборки печатных плат.
Технология поверхностного монтажа (SMT)
Технология поверхностного монтажа, обычно сокращенно SMT, представляет собой инновационную методологию сборки и производства для непосредственного крепления компонентов на печатной плате (PCB) заподлицо с ее поверхностью. Этот новаторский подход был задуман как преемник ранее распространенной «технологии сквозного отверстия».
Генезис SMT можно проследить до 1960-х годов, а его широкое распространение началось только в 1986 году, когда компоненты поверхностного монтажа начали захватывать существенную долю рынка в 10%. К началу 1990-х годов устройства поверхностного монтажа (SMD) прочно вошли в большинство современных печатных плат.
IBM в основном отстаивала новаторскую работу в разработке технологии поверхностного монтажа. Еще в 1960 году IBM продемонстрировала свою первую практическую демонстрацию SMT, представив компактную компьютерную модель, которая позже нашла применение в цифровом компьютере ракеты-носителя для приборного блока, инструментального компонента, направляющего как космические аппараты Saturn IB, так и Saturn V.
Кроме того, компоненты поверхностного монтажа были изобретательно спроектированы с миниатюрными выступами или торцевыми заглушками, что облегчало нанесение припоя для надежной фиксации SMD-компонентов на поверхности печатной платы.
Отнимающий много времени процесс сверления, специально разработанный для плотного прилегания каждого компонента, впоследствии был заменен методом SMT, который устранил необходимость в этих выводных отверстиях. Конструкция SMD с уменьшенными или отсутствующими выводами отверстий ускорила сейсмическую трансформацию в сборке печатных плат, что дало существенные преимущества.
Одним из наиболее выраженных преимуществ SMT была возможность включать значительно меньшие компоненты, сохраняя при этом надежное сцепление с печатной платой. Меньшие компоненты естественным образом порождали повышенную плотность компонентов, развитие, которое нашло подтверждение в области «закона Мура». Первоначально постулируемый как устанавливающий, что плотность компонентов материнской платы будет удваиваться ежегодно с 1965 по 1975 год, он впоследствии был изменен на двухгодичный темп удвоения.
Перенесемся в наши дни. SMT повсеместно проникла практически во все категории электронных устройств: от детских игрушек и кофеварок до вездесущих смартфонов и ноутбуков, которые формируют нашу цифровую жизнь.
Несмотря на то, что постоянно развивающийся ландшафт технологий оставляет место для новых методологий, очевидно, что технология поверхностного монтажа останется устойчивым и основополагающим направлением производства электроники в обозримом будущем.
Терминология, которую вам нужно знать о SMT
В сфере производства электроники существует обширный набор терминов, связанных с технологией поверхностного монтажа (SMT):
● SMA (монтаж на поверхность): Это означает создание или сборку схемы или модуля с использованием технологии поверхностного монтажа (SMT).
● SMC (компоненты для поверхностного монтажа): Относится к различным электронным элементам, специально разработанным для использования в технологиях поверхностного монтажа (SMT).
● SMD (приборы для поверхностного монтажа): Охватывает широкий спектр электронных компонентов, включая как активные, так и пассивные компоненты, а также электромеханические элементы, предназначенные для интеграции в схемы на основе поверхностного монтажа.
● SME (оборудование для поверхностного монтажа): Обозначает специализированные машины и оборудование, предназначенные для выполнения процессов сборки с использованием технологии поверхностного монтажа (SMT).
● SMP (корпуса для поверхностного монтажа): Обозначает различные формы корпусов или оболочек, предназначенных для размещения устройств поверхностного монтажа (SMD) в электронных системах.
● SMT (технология поверхностного монтажа): Охватывает весь спектр методов и технологий, используемых при сборке и монтаже электронных компонентов на печатных платах, составляя краеугольный камень современных процессов производства электронных технологий.
Типы устройств поверхностного монтажа (SMD)
Устройства поверхностного монтажа (SMD) охватывают широкий спектр электронных компонентов, тщательно спроектированных для непосредственного крепления к поверхности печатной платы (ПП), что устраняет необходимость в традиционных сквозных отверстиях или выводах.
Эти универсальные компоненты демонстрируют широкий спектр форм, размеров и функций, выполняя разнообразные роли в электронных схемах. Среди различных SMD-компонентов наиболее распространенными примерами являются следующие:
● Резисторы для поверхностного монтажа (SMD-резисторы): Эти пассивные компоненты регулируют поток электрического тока в цепи, предлагая множество значений сопротивления и номинальной мощности для различных применений.
● Конденсаторы для поверхностного монтажа (SMD-конденсаторы): Конденсаторы, отвечающие за хранение и разрядку электрической энергии, доступны в различных типах, включая керамические, танталовые и алюминиевые электролитические варианты.
● Индукторы поверхностного монтажа (SMD-индукторы): Эти компоненты хранят энергию в магнитных полях и в основном используются в фильтрах и радиочастотных (РЧ) цепях.
● Диоды поверхностного монтажа (SMD-диоды): Диоды, обеспечивающие односторонний ток, включают стандартные диоды, диоды Шоттки и стабилитроны в области технологии поверхностного монтажа.
● Транзисторы поверхностного монтажа (SMD-транзисторы): Транзисторы, основные полупроводниковые приборы для усиления и коммутации, представлены в ассортименте типов, таких как NPN, PNP, N-канальные и P-канальные МОП-транзисторы в категории SMD.
● Светодиоды для поверхностного монтажа (SMD-светодиоды): Светодиоды (LED), загорающиеся при прохождении через них электрического тока, широко используются в индикаторных лампах и дисплеях категории SMD.
● Интегральные схемы поверхностного монтажа (SMD ИС): Эти комплексные электронные схемы, заключенные в один корпус, могут включать в себя микроконтроллеры, аналоговые ИС, цифровые ИС и т. д.
● Разъемы для поверхностного монтажа: Эти разъемы, специально разработанные для применения в технологии поверхностного монтажа (SMT), устанавливают электрические соединения между печатными платами или внешними устройствами.
● Переключатели для поверхностного монтажа: SMT-переключатели выполняют различные функции пользовательского интерфейса и управления. Они бывают разных типов, например, кнопочные, тактильные и ползунковые.
● Кристаллы и генераторы для поверхностного монтажа: Эти компоненты обеспечивают точную синхронизацию и тактовые сигналы, имеющие решающее значение для синхронизации электронных схем.
● Трансформаторы для поверхностного монтажа: Трансформаторы SMT играют важную роль в источниках питания и цепях связи, обеспечивая преобразование напряжения и изоляцию.
● Регуляторы напряжения для поверхностного монтажа: Эти компоненты обеспечивают стабильное выходное напряжение, играя ключевую роль в приложениях управления питанием.
Они представляют собой лишь подмножество обширного спектра доступных устройств поверхностного монтажа, при этом выбор SMD зависит от конкретных требований электронной схемы или разрабатываемого устройства. Компактные размеры и эксплуатационная эффективность, присущие SMD, делают их фундаментальным выбором в современном производстве электроники.
Преимущества технологии поверхностного монтажа
1. Достижение миниатюризации
Размеры и занимаемый объем электронных компонентов SMT значительно превосходят их аналоги в отверстиях, что часто приводит к сокращению на 60–70%, а некоторые компоненты подвергаются поразительному сокращению размера и объема на 90%. Кроме того, вес этих компонентов может быть сокращен на существенные 60–90%.
2. Ускоренная передача сигнала
Сборка SMT не только отличается компактностью, но и обеспечивает впечатляющую плотность безопасности, достигая плотности сборки от 5.5 до 20 паяных соединений на квадратный сантиметр при нанесении печатных плат с обеих сторон. Полученные печатные платы, собранные SMT, облегчают высокоскоростную передачу сигнала благодаря минимальной длине цепи и минимальной задержке. Кроме того, устойчивость печатных плат, собранных SMT, к вибрациям и ударам повышает их пригодность для сверхскоростных электронных операций.
3. Улучшенные высокочастотные характеристики
Отсутствие выводов или наличие коротких выводов в компонентах SMT естественным образом снижает распределенные параметры схемы и снижает радиочастотные помехи, что приводит к благоприятным высокочастотным характеристикам.
4. Преимущества автоматизации и повышение производительности
SMT блистает в автоматизированном производстве со стандартизированными, серийными и последовательными условиями сварки для чип-компонентов. Такая автоматизация снижает отказы компонентов, связанные с процессом пайки, повышая общую надежность и эффективность производства.
5. Экономичное использование материалов
Повышение эффективности производственного оборудования и сокращение расхода упаковочного материала привели к снижению стоимости упаковки большинства компонентов SMT, сделав их более рентабельными, чем их аналоги с технологией сквозного отверстия (THT) эквивалентного типа и функциональности. Следовательно, компоненты SMT имеют более конкурентоспособную цену, чем компоненты THT.
6. Оптимизация производственных процессов и снижение затрат
При монтаже компонентов на печатные платы отпадает необходимость сгибать, формировать или обрезать выводы компонентов, что упрощает весь процесс и повышает эффективность производства. Стоимость обработки для достижения той же функциональной схемы обычно ниже, чем при интерполяции сквозных отверстий, что обычно приводит к общему снижению производственных затрат от 30% до 50%.
Недостатки технологии поверхностного монтажа
1. Дорогостоящие инвестиции в оборудование
Внедрение технологии поверхностного монтажа (SMT) Линия сборки печатных плат требует существенных финансовых вложений из-за высокой стоимости оборудования для поверхностного монтажа, включая печи оплавления, машины для установки и монтажа компонентов, трафаретные принтеры для нанесения паяльной пасты и станции для пайки SMD горячим воздухом.
2. Сложный процесс проверки
Проверка сборок SMT представляет собой существенные трудности, в первую очередь потому, что большинство компонентов поверхностного монтажа имеют небольшие размеры и многочисленные паяные соединения. Компоненты с корпусом Ball Grid Array (BGA) вносят дополнительную сложность, поскольку их шарики припоя и соединения скрыты под компонентом, что делает проверку сложной задачей. Более того, оборудование, используемое для проверки SMT, имеет высокую цену.
3. Уязвимость к повреждениям
Компоненты SMD подвержены повреждениям, особенно при неправильном обращении или падении. Их чувствительность к электростатическому разряду (ESD) требует использования специализированных продуктов ESD для безопасного обращения и упаковки. Обычно компоненты SMD обрабатываются в контролируемой чистой комнате для снижения риска повреждения.
4. Дорогостоящее мелкосерийное производство
Производство прототипов печатных плат SMT или мелкосерийных партий может быть финансово затратным. Кроме того, этот процесс включает в себя технические тонкости, требующие высокого уровня знаний и обучения.
5. Ограниченная доступность электроэнергии
Технология поверхностного монтажа не охватывает все активные и пассивные электронные компоненты, что приводит к ограничениям в плане доступной мощности. Как правило, компоненты SMD имеют более низкие номинальные мощности, чем их аналоги в отверстиях.
Технология сквозных отверстий
Монтаж через сквозные отверстия подразумевает вставку выводов компонентов в тщательно просверленные отверстия в голой печатной плате. До появления SMT в 1980-х годах технология сквозных отверстий была преобладающим методом конфигурации в отрасли.
Хотя эффективность и экономичность поверхностного монтажа вывели его на передовые позиции, предсказывать устаревание сквозного монтажа может быть преждевременно.
Примечательно, что технология сквозных отверстий, несмотря на снижение популярности, оказалась удивительно универсальной в эпоху SMT, предлагая различные преимущества и специализированные приложения. Одним из выдающихся свойств технологии сквозных отверстий является ее внутренняя долговечность, и эта долговечность теперь часто подкрепляется наличием кольцевых колец, что обеспечивает прочные соединения, выдерживающие испытание временем.
Осевые и радиальные отведения
В области компонентов сквозного отверстия существует две основные классификации: радиальные и аксиальные компоненты, каждый из которых имеет уникальные характеристики. Аксиальные выводы пересекают компонент по прямой линии, выходя из обоих концов («аксиально») и проходя через отдельные отверстия на плате.
Как радиальные, так и аксиальные компоненты считаются компонентами с «двойными» выводами, каждый из которых имеет свои преимущества. Компоненты с аксиальными выводами предпочитаются из-за их плотной интеграции с платой, что обеспечивает надежное соединение. С другой стороны, радиальные выводы хорошо подходят для компактных плат с высокой плотностью, где мало места, благодаря их минимальной площади поверхности.
Между тем радиальные компоненты выводов обычно представлены дисковыми конденсаторами. Эти вариации конфигурации выводов удовлетворяют спектру требований и предпочтений электронного дизайна.
Преимущества технологии сквозных отверстий
1. Повышенная надежность
Сборка печатных плат с использованием технологии сквозного монтажа (THT) отличается более высокой надежностью по сравнению со сборкой с использованием технологии поверхностного монтажа (SMT). Ее повышенная надежность обусловлена физическим креплением компонентов к плате через отверстия и пайку, что снижает риск смещения или отсоединения компонентов во время работы. Кроме того, компоненты THT демонстрируют надежность при работе с более высокими уровнями тока и напряжения, что делает их идеальными для приложений, требующих значительной мощности.
2. Экономическая эффективность
Сборки THT PCB обычно имеют более низкую цену, чем их аналоги SMT. Это преимущество в стоимости можно объяснить снижением расходов, связанных с компонентами THT, и упрощением процесса сборки. Больший размер компонентов THT не только делает их более управляемыми во время сборки, но и снижает вероятность повреждения, что в конечном итоге приводит к экономии средств. Кроме того, простота их поиска и доступность на рынке способствуют экономической эффективности.
3. Бесперебойный ремонт и замена
Сборка печатной платы THT облегчает простой ремонт и замену компонентов. Конструкция сквозных отверстий упрощает идентификацию и замену неисправных компонентов, а также ремонт поврежденной проводки и сквозных отверстий. Кроме того, компоненты THT можно легко извлечь и заменить с помощью паяльника, что устраняет необходимость в специализированном оборудовании.
Недостатки технологии сквозных отверстий
1. Ограниченная плотность компонентов
Технология сквозного монтажа PCBA страдает от ограничения плотности компонентов. Это возникает из-за того, что компоненты располагаются на одной стороне платы, а их выводы продеваются через отверстия на противоположную сторону. Следовательно, компоненты должны быть расположены на большем расстоянии друг от друга, чтобы предотвратить контакт выводов. Следовательно, платы THT PCB, как правило, более громоздкие и занимают больше физического пространства, чем технология поверхностного монтажа (SMT).
2. Процесс ручной сборки
Сборка печатных плат THT — это преимущественно ручная работа, требующая высокого мастерства и точности. Компоненты тщательно размещаются на одной стороне платы, а их выводы затем продеваются через отверстия на противоположную сторону, после чего следует сгибание и пайка. Этот трудоемкий процесс по своей сути отнимает много времени и подвержен человеческим ошибкам. Кроме того, ручной характер сборки усложняет перспективы автоматизации производства печатных плат THT, препятствуя повышению эффективности.
3. Повышенный риск повреждения компонентов
Существует высокий риск повреждения компонентов в процессе ручной сборки. Вставка выводов может привести к изгибу или поломке, что сделает компоненты неработоспособными. Кроме того, процесс пайки, если не контролировать температуру тщательно, может подвергать компоненты чрезмерному нагреву, что может привести к потенциальному повреждению. Эти факторы способствуют увеличению количества дефектов и снижению выхода продукции.
Ключевые различия между технологиями сквозного и поверхностного монтажа
Здесь мы рассмотрим основные различия между сквозным и поверхностным монтажом.
1. Сила взаимосвязи
Сквозные компоненты: Компоненты с сквозным отверстием известны своими прочными соединениями. Их выводы проходят через печатную плату, обеспечивая более прочные и долговечные соединения между слоями.
Компоненты для поверхностного монтажа: В отличие от этого, компоненты SMT крепятся исключительно с помощью пайки на поверхности платы, которая может быть менее устойчивой к воздействию окружающей среды.
2. Экологическая устойчивость
Сквозные компоненты: Технология сквозных отверстий отлично подходит для сред, где изделия могут подвергаться экстремальным условиям, таким как быстрые ускорения, высокоскоростные столкновения или экстремальные температуры. Ее проникающие соединения позволяют компонентам эффективно выдерживать эти нагрузки.
Компоненты для поверхностного монтажа: Компоненты SMT, как правило, менее приспособлены к работе в экстремальных условиях окружающей среды из-за их паяных соединений, расположенных только на поверхности.
3. Отраслевые приложения
Сквозные компоненты: Технология сквозных отверстий находит свою нишу в таких высоконадежных отраслях, как военная и аэрокосмическая. Этим секторам требуются компоненты, способные выдерживать суровые условия, что делает сквозные компоненты предпочтительным выбором.
Компоненты для поверхностного монтажа: Компоненты SMT чаще всего используются в бытовой электронике и приложениях, где воздействие окружающей среды не является первостепенной проблемой.
4. Универсальность в тестировании и создании прототипов
Сквозные компоненты: Компоненты с сквозным отверстием хорошо подходят для тестирования и прототипирования. Их проницаемые соединения делают ручную настройку и замену компонентов относительно простыми.
Компоненты для поверхностного монтажа: Работать с компонентами SMT при тестировании и создании прототипов может быть сложнее, поскольку они обычно припаиваются к поверхности и не имеют легкого доступа для ручной настройки.
Подводя итог, можно сказать, что выбор между технологией сквозного и поверхностного монтажа зависит от конкретных требований проекта. Технология сквозного монтажа обеспечивает превосходную надежность и устойчивость в сложных условиях, что делает ее лучшим выбором для приложений с высокой нагрузкой. Напротив, технология поверхностного монтажа превосходна в более стандартной потребительской электронике и приложениях, где воздействие окружающей среды не так важно.
Вот в чем заключается основное различие между сквозным и поверхностным монтажом.
Другие типы сборки печатных плат
Помимо поверхностного монтажа и сквозного монтажа, есть еще несколько методов PCBA. Ниже приведены некоторые из них.
Жестко-гибкая печатная плата
Жестко-гибкие печатные платы представляют собой гармоничное сочетание жестких и гибких технологий печатных плат. Эти специализированные печатные платы спроектированы для интеграции свойств как жестких, так и гибких подложек. Компоненты будут монтироваться как на жестких, так и на гибких частях платы.
Ядро жестко-гибких печатных плат обычно состоит из нескольких ярусов гибких подложек схем, которые сложно соединены либо снаружи, либо изнутри с одной или несколькими жесткими панелями. Такая гибкость конструкции отвечает уникальным требованиям различных приложений.
Смешанная сборка
В постоянно развивающемся ландшафте производства печатных плат технология поверхностного монтажа (SMT) несомненно заняла видное место. Однако сложность современных электронных устройств иногда требует смешения методов сборки.
В таких сценариях сочетание поверхностного монтажа и сквозной технологии становится обязательным на одной и той же печатной плате. Такое объединение методов сборки, выполненное без использования паяльной пасты во время производства, метко называется «смешанной сборкой» или «гибридной сборкой».
BGA сборка
Шариковые решетки (BGA), также называемые чип-носителями, представляют собой передовую грань технологии поверхностного монтажа. Эти инновационные корпуса специально разработаны для точной инкапсуляции интегральных схем. Когда дело доходит до постоянной установки таких важных компонентов, как микропроцессоры, корпус BGA безраздельно властвует.
В сравнении с традиционным
двойной рядный или плоские корпуса бледнеют с точки зрения емкости контактов разъема. BGA используют все пространство своей нижней поверхности для подключения, предлагая существенное преимущество перед своими предшественниками за счет максимального использования доступного пространства.
Вывод
В заключение, наше исследование современных технологий сборки печатных плат пролило свет на ключевую роль как технологии поверхностного монтажа, так и технологии сквозного монтажа в электронной промышленности. Сосуществование этих двух подходов подчеркивает необходимость адаптивности и кастомизации в производстве печатных плат.
Технология поверхностного монтажа, доминирующая в современной электронике, обеспечивает экономию пространства и упрощение процессов сборки, что делает ее идеальной для широкого спектра бытовой электроники и компактных устройств.
С другой стороны, компоненты и технологии сквозного монтажа остаются незаменимыми для приложений, требующих надежных межсоединений и устойчивости к суровым условиям окружающей среды, например, в военной и аэрокосмической отраслях.
Кроме того, статья углубилась в интригующую область жестко-гибких печатных плат и смешанной сборки. Последняя бесшовно интегрирует подходы SMT и THT для удовлетворения специализированных требований.
Кроме того, внедрение сборки на основе шариковых выводов (BGA) является примером неустанного стремления отрасли к оптимизации пространства и улучшению возможностей подключения, что особенно актуально для высокопроизводительных микропроцессоров и интегральных схем.
По сути, SMT и THT продолжают оставаться основой, на которой строится современная электроника, причем каждая технология предлагает уникальные преимущества, которые удовлетворяют широкий спектр приложений и задач. Динамичное взаимодействие между этими методологиями является свидетельством адаптивности и инноваций, движущих электронную промышленность вперед. Надеюсь, теперь вы поняли разницу между поверхностным монтажом и сквозным отверстием.
Ищете расценки на печатные платы или печатные платы? Свяжитесь с нами сейчас.
