SMT ali THT? Kako izbrati tehnologijo polaganja komponent

Ko je shema narisana in vezje usmerjeno, pride vprašanje, kako bodo komponente dejansko pristale na vezju. Izbira med SMT (Surface Mount Technology) in THT (Through-Hole Technology) ni le tehnično vprašanje; določa ceno polaganja, dobavljivost komponent, velikost naprave in celo to, kako boste vezje testirali in popravljali. V praksi večina sodobnih vezij kombinira obe tehnologiji, pomembno pa je, da to naredite premišljeno.

Kaj je SMT in kaj THT

Pri SMT so komponente v ohišjih (0402, 0603, SOT-23, QFN, QFP, BGA in podobno) položene neposredno na pade na površini vezja in spajkane s spajkalno pasto v peči (reflow). Komponente ne potrebujejo lukenj, zato so lahko na obeh straneh vezja.

Pri THT imajo komponente žične nožice, ki gredo skozi metalizirane luknje in so spajkane na nasprotni strani, bodisi ročno, bodisi z valovnim spajkanjem (wave soldering) ali selektivnim spajkanjem.

Primerjava v praksi

Kdaj izbrati SMT

SMT je danes privzeta tehnologija za skoraj vso elektroniko. Razlogi:

• Sodobni polprevodniki obstajajo samo v SMT ohišjih. Mikrokrmilniki, brezžični čipi, napajalni regulatorji in senzorji redko še prihajajo v DIP ohišjih.
• Manjše vezje pomeni nižjo ceno izdelave PCB in manjše ohišje.
• Avtomatizacija. Stroj za polaganje (pick-and-place) položi na tisoče komponent na uro z natančnostjo, ki je ročno ni mogoče doseči.
• Boljše električne lastnosti. Krajše povezave in manjša parazitna induktivnost so ključni pri hitrih signalih in stikalnih napajalnikih.

Tipičen SMT proces v mali seriji:

1. Nanos spajkalne paste skozi lasersko izrezano šablono iz nerjavnega jekla (debeline 0,10 do 0,15 mm).
2. Polaganje komponent s strojem pick-and-place iz kolutov, tub ali pladnjev. Pri malih serijah se del komponent včasih polaga ročno pod mikroskopom.
3. Reflow spajkanje v peči s profilom, prilagojenim pasti (za brezsvinčeno SAC305 pasto vrh pri 240 do 250 °C).
4. Optična kontrola (AOI ali ročna) in po potrebi popravila.

Kdaj ostaja THT smiselna izbira

THT ni zastarela tehnologija, le specializirana je. Uporabite jo za:

• Konektorje, ki so izpostavljeni mehanskim silam: USB, napajalni vtiči, terminalni bloki, pin headerji, DC vtičnice. Metalizirana luknja prenese vlečenje in vtikanje bistveno bolje kot SMT pad.
• Velike kondenzatorje, tuljave in transformatorje, kjer masa komponente presega nosilnost SMT spoja ali kjer komponenta v SMT obliki preprosto ne obstaja.
• Močnostne komponente v ohišjih TO-220 in TO-247, ki se privijejo na hladilnik.
• Releje, varovalke in stikala, ki jih uporabnik pritiska ali menjuje.
• Izobraževalne in hobi projekte, kjer je pomembno, da lahko vsak s spajkalnikom sestavi in popravi vezje.

Mešano polaganje: praksa v večini naprav

Skoraj vsako industrijsko vezje, ki ga vidimo, je mešano: SMT za logiko in pasivne komponente, THT za konektorje in nekaj močnostnih delov. Pomembno je vrstni red in način spajkanja:

1. Najprej se položijo in reflow spajkajo SMT komponente (če so na obeh straneh, najprej spodnja stran, ki mora med drugim reflowom obstati; pri težjih komponentah pomaga lepilo).
2. Nato se vstavijo THT komponente in spajkajo ročno, selektivno ali z valom.

Pri valovnem spajkanju morajo biti SMT komponente na spodnji strani prilepljene in orientirane tako, da val ne ustvarja senc; pri malih serijah je zato pogosto ceneje THT del spajkati ročno ali s selektivnim spajkanjem.

Pin-in-paste (intrusive reflow) je tehnika, pri kateri se pasta nanese tudi v luknje THT komponent in te se spajkajo v istem reflow ciklu kot SMT. Deluje za konektorje, ki prenesejo temperature reflowa in imajo kratke nožice, ter prihrani celoten ločen korak.

Stroški polaganja pri malih serijah

Pri prototipih in serijah od 5 do 500 kosov je struktura stroškov drugačna kot pri masovni proizvodnji:

• Fiksni stroški SMT: šablona (nekaj deset evrov), priprava programa za stroj, nastavitev podajalnikov. Ti stroški so enaki za 5 ali 500 kosov.
• Variabilni stroški SMT: čas stroja na kos je nizek; pri 100 komponentah na vezje gre za sekunde.
• THT stroški: praktično v celoti variabilni; vsaka komponenta pomeni ročno vstavljanje in spajkanje.

Posledica: pri zelo majhnih količinah (1 do 3 kosi) je lahko ročno polaganje SMT komponent cenejše kot priprava stroja, že pri 10 kosih pa se strojno polaganje praviloma povrne. Vezje z 20 THT komponentami bo pri 200 kosih stalo več polaganja kot enako vezje s 100 SMT komponentami.

Kako načrtovanje vpliva na ceno polaganja

Nekaj odločitev v layoutu, ki neposredno znižajo stroške:

• Vse SMT komponente na eni strani. Obojestransko polaganje podvoji nastavitve in reflow cikle.
• Enotne velikosti pasivnih komponent (npr. samo 0603) zmanjšajo število podajalnikov.
• Izogibajte se eksotičnim ohišjem in komponentam, ki so na voljo le v tubah ali kot posamezni kosi.
• Polarnost in orientacija naj bodo jasno označene na sitotisku; nejasna oznaka pomeni vprašanje, zamudo ali napako.
• Fiducial oznake omogočajo stroju natančno poravnavo; brez njih polaganje finih ohišij ni zanesljivo.
• THT komponente na isti strani in z zadostnim razmikom za spajkalnik ali selektivno šobo.
• Popoln BOM s proizvajalčevimi številkami in oznakami na vezju prihrani ure dopisovanja.

Ročno spajkanje: kdaj in kako

Ročno spajkanje SMT komponent je povsem realno za prototipe: 0603 in SOT-23 s spajkalnikom, QFN in fine QFP s pasto in vročim zrakom. Za BGA ohišja pa je potrebna reflow peč ali rework postaja z nadzorom temperature ter rentgen za preverjanje spojev, kar praktično vedno pomeni, da polaganje prepustite specializirani delavnici.

Pri THT komponentah je ročno spajkanje standard za male serije. Priporočamo temperaturno regulirano postajo, spajko s fluksom in po spajkanju čiščenje ostankov, še posebej pri občutljivih analognih vezjih.

Priporočila po vrstah projektov

• Prototip, 1 do 5 kosov: SMT z ročnim ali strojnim polaganjem, THT ročno. Pomembna je hitrost.
• Pilotna serija, 10 do 100 kosov: strojno SMT polaganje s šablono, THT ročno ali selektivno. Že tu se splača dokumentacija za proizvodnjo.
• Serija 100 do 1000 kosov: strojno SMT, THT selektivno ali wave, AOI kontrola, testna priprava.
• Nad 1000 kosov: minimizirajte THT, razmislite o pin-in-paste, standardizirajte komponente.

Potrebujete pomoč?

Pri Selektroniku polagamo SMT in THT komponente v malih in srednjih serijah, s strojem pick-and-place, reflow pečjo in izkušeno ročno montažo za posebne primere. Pri razvoju vezja že v layoutu poskrbimo, da bo polaganje čim cenejše. Tiskana vezja za vaš projekt lahko naročite na selektronik.si/pcb, za ponudbo polaganja pa nam pošljite Gerberje in BOM na info@selektronik.si.