SMT a przewlekany (THT): Wybór odpowiedniej metody montażu dla projektu PCB

Podczas projektowania obwodów drukowanych (PCB) jedną z najbardziej krytycznych decyzji, przed którymi stają inżynierowie, jest wybór odpowiedniej metody montażu komponentów. Dwie dominujące techniki — technologia montażu powierzchniowego (SMT) i technologia montażu przewlekanego (znana również jako Plated Through-Hole lub PTH/THT) — oferują odmienne zalety i ograniczenia. W SUNTOP Electronics, wiodącym producentem montażu PCB, rozumiemy, że wybór między tymi metodami wpływa nie tylko na funkcjonalność i niezawodność produktu końcowego, ale także na jego wykonalność, koszt i czas wprowadzenia na rynek.

W tym kompleksowym przewodniku zbadamy techniczne różnice między montażem SMT a przewlekanym, porównamy ich wydajność w różnych wskaźnikach i przedstawimy praktyczne wskazówki dotyczące tego, kiedy stosować każdą z metod. Bez względu na to, czy opracowujesz elektronikę użytkową, sterowniki przemysłowe czy wysoce niezawodne urządzenia medyczne, zrozumienie tych podstawowych technologii montażu pozwoli Ci podejmować świadome decyzje na etapie projektowania PCB.

Zrozumienie technologii montażu powierzchniowego (SMT)

Czym jest SMT?

Technologia montażu powierzchniowego (SMT) to metoda montażu komponentów elektronicznych bezpośrednio na powierzchni PCB bez konieczności przeprowadzania wyprowadzeń przez otwory. Opracowana w latach 60. XX wieku i szeroko przyjęta w latach 80., technologia SMT zrewolucjonizowała produkcję elektroniki, umożliwiając tworzenie mniejszych, lżejszych i gęściej upakowanych płytek obwodów.

W przeciwieństwie do tradycyjnych komponentów przewlekanych, które mają wyprowadzenia druciane przechodzące przez wywiercone otwory w płytce, komponenty SMT — powszechnie nazywane „komponentami chipowymi” — mają płaskie końcówki lub małe wyprowadzenia zaprojektowane do lutowania bezpośrednio do miedzianych pól lutowniczych na powierzchni PCB.

Jak działa montaż SMT

Proces SMT obejmuje kilka precyzyjnych kroków:

1. Nakładanie pasty lutowniczej: Szablon jest wyrównywany na gołej płytce PCB, a pasta lutownicza — mieszanina drobnych cząsteczek lutu i topnika — jest nakładana na pola lutownicze, na których zostaną umieszczone komponenty.
2. Umieszczanie komponentów: Za pomocą szybkich maszyn pick-and-place komponenty SMT są precyzyjnie pozycjonowane na polach pokrytych pastą lutowniczą.

3. Lutowanie rozpływowe: Płytka przechodzi przez piec rozpływowy, w którym kontrolowane ciepło topi pastę lutowniczą, tworząc trwałe połączenia elektryczne i mechaniczne.
4. Inspekcja i testowanie: Automatyczna inspekcja optyczna (AOI), inspekcja rentgenowska (dla ukrytych połączeń, takich jak BGA) i testy funkcjonalne zapewniają jakość i niezawodność.

Ten zautomatyzowany przepływ pracy pozwala na szybką produkcję złożonych płytek z tysiącami komponentów na godzinę, co sprawia, że SMT jest idealne dla środowisk masowej produkcji.

Zalety SMT

SMT stało się standardem w nowoczesnej elektronice nie bez powodu. Jego zalety to:

• Mniejszy rozmiar: Komponenty można umieszczać po obu stronach płytki, co znacznie zwiększa gęstość komponentów.
• Wyższe prędkości obwodów: Krótsze wyprowadzenia zmniejszają pasożytniczą indukcyjność i pojemność, poprawiając integralność sygnału przy wysokich częstotliwościach.
• Niższe koszty materiałów: Brak konieczności wiercenia licznych otworów zmniejsza złożoność i koszt produkcji.
• Zautomatyzowana produkcja: Wysoka kompatybilność z automatycznymi liniami montażowymi zwiększa przepustowość i spójność.
• Lekka konstrukcja: Idealna dla elektroniki przenośnej i noszonej, gdzie rozmiar i waga są kluczowe.

Na przykład smartfony, tablety i urządzenia IoT polegają prawie całkowicie na SMT ze względu na ograniczenia przestrzenne i wymagania dotyczące wydajności.

Typowe typy komponentów SMT

Niektóre typowe obudowy SMT to:

• Rezystory/Kondensatory chipowe (0402, 0603 itp.)
• Układy scalone o małym obrysie (SOIC)
• Obudowy Quad Flat (QFP)
• Układy Ball Grid Array (BGA)
• Cienkie obudowy o małym obrysie (TSSOP)

Komponenty te umożliwiają zaawansowane funkcjonalności w kompaktowych formach, wspierając innowacje w AI, 5G i edge computing.

Czy wiesz, że? Ponad 75% wszystkich produkowanych dzisiaj płytek PCB wykorzystuje wyłącznie SMT lub w połączeniu z technologią przewlekaną.

Odkrywanie technologii przewlekanej (PTH/THT)

Czym jest technologia przewlekana (Through-Hole)?

Technologia przewlekana, często nazywana Plated Through-Hole (PTH), polega na wkładaniu wyprowadzeń komponentów przez wstępnie wywiercone otwory w PCB, a następnie lutowaniu ich po przeciwnej stronie. Metoda ta była standardem przemysłowym przed wzrostem popularności SMT i pozostaje istotna w zastosowaniach wymagających solidnych połączeń mechanicznych.

Każdy otwór jest pokryty miedzią, aby stworzyć połączenie elektryczne między warstwami, stąd termin „metalizowany otwór przelotowy” (plated through-hole). Komponenty stosowane w tej metodzie to zazwyczaj typy z wyprowadzeniami osiowymi lub promieniowymi, takie jak kondensatory elektrolityczne, transformatory i złącza.

Jak działa montaż PTH

Proces montażu PTH obejmuje:

1. Wiercenie otworów: Precyzyjne wiercenie tworzy otwory odpowiadające lokalizacji wyprowadzeń komponentów.
2. Metalizacja: Bezprądowe miedziowanie zapewnia przewodność przez ścianki przelotki.
3. Wkładanie komponentów: Wyprowadzenia są wkładane ręcznie lub za pomocą automatycznych maszyn do wkładania.
4. Lutowanie na fali: Płytka przechodzi nad falą stopionego lutu

, który zwilża odsłonięte wyprowadzenia i pola, tworząc mocne połączenia lutownicze. 5. Ręczne poprawki i inspekcja: Ze względu na niższy stopień automatyzacji często wymagane są ręczne kontrole i korekty.

Chociaż wolniejsze niż SMT, PTH oferuje niezrównaną trwałość w trudnych warunkach.

Zalety komponentów przewlekanych

Pomimo że jest starsze, PTH nadal pełni ważne role ze względu na swoje unikalne zalety:

• Doskonała wytrzymałość mechaniczna: Komponenty są fizycznie zakotwiczone w płytce, co czyni je odpornymi na wibracje, wstrząsy i stres termiczny.
• Obsługa dużej mocy: Większe wyprowadzenia i lepsze odprowadzanie ciepła pozwalają częściom PTH zarządzać wyższymi prądami i napięciami.
• Łatwość prototypowania i naprawy: Idealne do płytek stykowych i lutowania ręcznego podczas faz rozwoju.
• Niezawodne połączenia: Mocne połączenia lutownicze minimalizują ryzyko awarii w systemach o krytycznym znaczeniu.

Branże takie jak lotnictwo, obronność, motoryzacja i maszyny ciężkie nadal w dużej mierze polegają na PTH w zasilaczach, przekaźnikach i wzmocnionych złączach.

Typowe zastosowania PTH

Przykłady komponentów najlepiej nadających się do montażu przewlekanego to:

• Tranzystory mocy i MOSFET-y
• Duże kondensatory elektrolityczne
• Transformatory i cewki indukcyjne
• Listwy zaciskowe i złącza goldpin
• Złącza wielopinowe

Komponenty te korzystają ze wsparcia strukturalnego zapewnianego przez przechodzenie wyprowadzeń przez płytkę.

Kluczowe różnice między SMT a przewlekanym (PTH)

Aby pomóc Ci zdecydować, która metoda pasuje do Twojego projektu, porównajmy SMT i PTH pod kątem kilku kluczowych parametrów.

1. Rozmiar i gęstość

SMT umożliwia miniaturyzację niezbędną dla nowoczesnej elektroniki użytkowej. Na przykład pojedyncza płyta główna smartfona może zawierać ponad 1000 komponentów SMT na powierzchni mniejszej niż 100 cm².

2. Wydajność elektryczna

W przypadku szybkich obwodów cyfrowych i zastosowań RF, SMT jest wyraźnie lepsze. Inżynierowie pracujący nad modułami 5G lub routerami Wi-Fi 6E muszą priorytetowo traktować SMT, aby zachować wierność sygnału.

3. Niezawodność mechaniczna

W elektronice samochodowej pod maską lub awionice, gdzie panują ekstremalne warunki, PTH często pozostaje preferowanym wyborem pomimo kar związanych z rozmiarem.

4. Rozważania dotyczące kosztów

Podczas gdy SMT wygrywa w produkcji seryjnej, PTH może być bardziej ekonomiczne w przypadku prototypów o małej objętości lub scenariuszy napraw.

5. Prędkość produkcji i skalowalność

Nowoczesne linie SMT mogą obsadzić i przylutować kompletną płytkę w ciągu kilku minut, podczas gdy montaż PTH wymaga dodatkowych etapów obsługi i przetwarzania.

Podejścia hybrydowe: Łączenie SMT i PTH

W praktyce wiele płytek PCB wykorzystuje podejście mieszanej technologii — wykorzystując zalety zarówno SMT, jak i PTH. Ta strategia hybrydowa pozwala projektantom optymalizować wydajność, niezawodność i koszt jednocześnie.

Dlaczego używać obu metod?

Rozważ zasilacz (PSU):

• Układy sterujące, rezystory i kondensatory są montowane przy użyciu SMT dla kompaktowości i szybkości.
• Cewki indukcyjne o dużym prądzie, mostki prostownicze i listwy zaciskowe wykorzystują PTH dla stabilności termicznej i mechanicznej.

Łącząc obie metody, inżynierowie osiągają zrównoważone rozwiązanie, które spełnia wymagania elektryczne, środowiskowe i ekonomiczne.

Wyzwania produkcyjne w montażu mieszanym

Produkcja płyt hybrydowych wprowadza złożoność logistyczną:

• Przetwarzanie sekwencyjne: Płytki zazwyczaj przechodzą najpierw przez SMT, a następnie PTH.
• Zarządzanie ciepłem: Temperatury rozpływu dla SMT nie mogą uszkodzić już zainstalowanych komponentów PTH.
• Mocowanie klejem: Aby zapobiec odpadaniu części SMT podczas lutowania na fali, można użyć klejów do ich zabezpieczenia przed przetwarzaniem PTH.

W SUNTOP Electronics nasze elastyczne usługi montażu PCB dostosowują się do konstrukcji technologii mieszanej dzięki zoptymalizowanym przepływom pracy, które zapewniają uzysk i niezawodność.

Przykład z rzeczywistego świata: Przemysłowy sterownik silnika

Przemysłowy sterownik silnika może zawierać:

• Mikrokontroler i obwody logiczne → SMT
• Sterowniki bramek i transoptory → SMT
• Przekaźniki mocy i tranzystory z radiatorem → PTH
• Zaciski wejścia/wyjścia AC → PTH

Ta mieszanka zapewnia precyzyjną kontrolę, jednocześnie wytrzymując wysokie obciążenia prądowe i wibracje hali fabrycznej.

Czynniki wpływające na wybór między SMT a PTH

Wybór odpowiedniej metody montażu to nie tylko kwestia preferencji — to strategiczna decyzja inżynieryjna, na którą wpływa wiele czynników.

1. Środowisko aplikacji

Trudne warunki wymagają solidnej konstrukcji:

• Wojsko/Lotnictwo: Preferuje PTH ze względu na odporność na wstrząsy.
• Elektronika użytkowa: Faworyzuje SMT ze względu na rozmiar i koszt.
• Urządzenia medyczne: Często łączą obie metody dla niezawodności i miniaturyzacji.
• Motoryzacja: Używa SMT dla ECU, PTH dla czujników w komorze silnika.

Testy kwalifikacji środowiskowej (np. MIL-STD-810, ISO 16750) kierują wyborem materiałów i montażu.

2. Wymagania dotyczące mocy

Obwody o dużej mocy generują ciepło i wymagają stabilnych połączeń:

• Poniżej 1 A: SMT wystarczające
• Powyżej 5 A: Zalecane PTH lub hybryda z radiatorem

Przelotki termiczne i wylewki miedzi mogą poprawić odprowadzanie ciepła SMT, ale fizyczne zakotwiczenie pozostaje kluczowe dla dużych urządzeń mocy.

3. Częstotliwość i prędkość sygnału

Dla projektów analogowych i RF:

• Częstotliwości > 100 MHz: Zalecane SMT
• Cyfrowe o dużej szybkości (USB 3.0, PCIe): Obowiązkowe SMT
• Sygnały sterujące o niskiej częstotliwości: Dopuszczalne PTH

Dopasowanie impedancji i kontrolowane ścieżki impedancji są łatwiejsze do wdrożenia za pomocą komponentów SMT.

4. Wolumen i skala produkcji

• Prototypy i mały wolumen (<100 sztuk): PTH łatwiejsze do montażu ręcznego
• Średni wolumen (100–10 tys. sztuk): Hybryda lub SMT z selektywnym PTH
• Duży wolumen (>10 tys. sztuk): SMT dominuje ze względu na wydajność

Inwestycje w oprzyrządowanie sprzyjają SMT w dużych seriach, podczas gdy prostota konfiguracji przynosi korzyści PTH w małych partiach.

5. Cykl życia i potrzeby konserwacyjne

Produkty, które mają być serwisowane w terenie, korzystają z PTH:

• Wymienne w terenie bezpieczniki, złącza lub przełączniki
• Zestawy edukacyjne i elektronika DIY
• Modernizacje starszych systemów

Komponenty SMT, zwłaszcza mikro BGA, są trudne do wymiany bez specjalistycznych narzędzi.

Wskazówki projektowe dotyczące optymalizacji wyboru SMT i PTH

Skuteczne projektowanie PCB rozpoczyna się od wczesnego rozważenia metody montażu. Oto praktyczne wskazówki, które pomogą Ci w wyborze.

1. Zacznij od schematów blokowych funkcji

Podziel swój obwód na bloki funkcjonalne:

• Stopień mocy → prawdopodobnie PTH
• Przetwarzanie cyfrowe → zdecydowanie SMT
• Interfejs/łączność → oceń według typu złącza

To modułowe myślenie upraszcza analizę kompromisów.

2. Priorytetyzuj dostępność komponentów

Sprawdź arkusze danych komponentów pod kątem opcji obudowy:

• Wiele układów scalonych jest teraz dostępnych tylko w QFN lub BGA (tylko SMT).
• Niektóre starsze części istnieją tylko w formacie DIP (Dual In-line Package).

Unikaj projektowania wokół przestarzałych komponentów tylko PTH, chyba że jest to konieczne.

3. Zaplanuj testowalność

Upewnij się, że punkty testowe są dostępne:

• Pola testowe SMT powinny mieć średnicę ≥0,9 mm
• Unikaj umieszczania komponentów PTH w miejscach, w których blokują dostęp sondy

Projektuj z myślą o testach wewnątrzobwodowych (ICT) i skanowaniu krawędziowym (JTAG) na wczesnym etapie.

4. Rozważ zarządzanie ciepłem

Dla komponentów rozpraszających energię:

• Używaj przelotek termicznych pod polami SMT
• Zapewnij odpowiednią powierzchnię miedzi
• W przypadku bardzo wysokiej temperatury rozważ PTH z zewnętrznymi radiatorami

Narzędzia symulacyjne, takie jak termiczna analiza elementów skończonych (FEA), pomagają przewidywać gorące punkty.

5. Współpracuj wcześnie ze swoim producentem

Zaangażuj swojego producenta montażu PCB na etapie projektowania. W SUNTOP Electronics oferujemy przeglądy projektowania pod kątem produkcji (DFM), aby wykryć potencjalne problemy przed produkcją.

Częste pułapki, które identyfikujemy:

• Źle wyrównane footprinty
• Niewystarczające tamy maski lutowniczej
• Brakujące oznaczenia polaryzacji
• Nieprawidłowa grubość szablonu

Wczesna informacja zwrotna oszczędza czas i pieniądze.

Przyszłe trendy: Dokąd zmierzają SMT i PTH?

Ewolucja technologiczna nadal kształtuje krajobraz montażu PCB.

Miniaturyzacja napędza innowacje SMT

Trendy obejmują:

• Komponenty o ultra drobnym skoku (odstęp 0,3 mm)
• Pakowanie na poziomie wafla (WLP)
• Wbudowane komponenty wewnątrz warstw podłoża

Płytki HDI (High-Density Interconnect) coraz częściej integrują komponenty pasywne pod układami scalonymi, jeszcze bardziej zwiększając możliwości SMT.

Dowiedz się więcej o trendach nowej generacji w naszym artykule na temat technologii HDI PCB.

Konsolidacja niszy PTH

Chociaż jego użycie w głównym nurcie spada, PTH zachowuje silną pozycję w:

• Systemach wysokiego napięcia (przemysł, energetyka)
• Wzmocnionym sprzęcie komunikacyjnym
• Konserwacji starszej infrastruktury

Nowe materiały, takie jak kleje przewodzące, mogą ostatecznie uzupełnić lub zastąpić niektóre zastosowania PTH, ale całkowite wycofanie jest mało prawdopodobne w najbliższym czasie.

Wschodzące techniki hybrydowe

Innowacje takie jak:

• Roboty do lutowania selektywnego dla PTH po SMT
• Laserowe stacje naprawcze
• Integracja powłok konforemnych

poprawiają niezawodność i skalowalność płyt hybrydowych.

Ponadto postępy w pozyskiwaniu komponentów elektronicznych i odporności łańcucha dostaw pomagają producentom szybko dostosowywać się do niedoborów części — rosnącego problemu po pandemii.

Dlaczego warto współpracować z SUNTOP Electronics?

W SUNTOP Electronics specjalizujemy się w dostarczaniu wysokiej jakości, niezawodnych rozwiązań PCB dostosowanych do Twoich konkretnych potrzeb. Jako zaufany producent montażu PCB, oferujemy kompleksowe usługi — od wstępnej koncepcji i wsparcia w projektowaniu PCB po produkcję na pełną skalę i testowanie.

Nasze możliwości obejmują:

• Zaawansowane linie SMT z wielogłowicowymi monterami
• Selektywne lutowanie na fali dla komponentów PTH
• Pełne usługi QA, w tym AOI, RTG i testy funkcjonalne
• Kompleksowe protokoły testowania jakości PCB

Przestrzegamy standardów IPC-A-610 klasy 2 i klasy 3, zapewniając, że każda płytka spełnia rygorystyczne kryteria wydajności.

Niezależnie od tego, czy budujesz prototyp, czy wprowadzasz globalną linię produktów, nasz zespół zapewnia fachowe wskazówki dotyczące wyboru optymalnej metody montażu — SMT, PTH lub hybrydowej — aby dopasować się do Twoich celów technicznych i biznesowych.

Gotowy, aby zrealizować swój kolejny projekt? Uzyskaj wycenę PCB już dziś i odkryj, jak SUNTOP Electronics może wesprzeć Twoją innowacyjną podróż.