Différences entre les conceptions de circuits imprimés à trou traversant et à montage en surface

Al-Wright | 30 août 2019

L'une des premières décisions impliquées dans la disposition d'une carte de circuit imprimé (PCB) est de choisir le type et le style des composants à utiliser. Cette décision est principalement motivée par les exigences électriques du PCB, mais une fois celles-ci satisfaites, il est souvent possible de choisir parmi une variété de configurations et d'empreintes disponibles pour les types de composants courants, tels que les résistances, les condensateurs et les diodes. Les types de composants sélectionnés influenceront la taille et l'apparence de l'ensemble de carte de circuit imprimé (PCBA) fini.

Dans le passé, les composants avec de longs fils étaient insérés, généralement à la main, dans des trous plaqués sur le PCB. Les conducteurs seraient ensuite soudés pour former des interconnexions permanentes avec les trous. C'était ce qu'on appelait l'assemblage traversant.

Circuit imprimé traversant avec DIP 14 broches. L'espacement des fils pour DIP est de 0,100" x 0,300", avec 14 trous et les coussinets associés. (Source de l'image : Epec Engineered Technologies)

De plus en plus, les concepteurs préfèrent utiliser une méthode d'assemblage plus moderne (bien qu'à présent pleinement mature), qui utilise des composants dont les fils se fixent uniquement à la surface du circuit imprimé, sans avoir besoin d'un trou de raccordement. Cette méthode, connue à l'origine sous le nom de "montage planaire", est depuis devenue plus largement connue sous le nom de technologie de montage en surface (SMT).

Ce qui suit est une comparaison concise entre les méthodes de trou traversant et SMT à utiliser comme guide de référence de prise de décision pour les concepteurs de PCB.

Technologie à trou traversant

Bien que les composants traversants représentent la plus ancienne des deux technologies, il existe toujours des raisons valables de les utiliser. Par exemple, tout amateur avec un fer à souder peut assembler un circuit imprimé traversant ou un petit lot similaire avec un minimum de tracas, car les trous qui acceptent les fils des composants sont plus espacés que les pastilles de surface sur un type SMT. L'espacement typique entre le centre du trou et le centre du trou est généralement de 0,100" ou plus, même pour les processeurs DIP. Un espacement aussi généreux rend les circuits imprimés traversants faciles à souder à la main. Il n'y a presque aucun risque de créer accidentellement des ponts entre les broches d'un seul composant ou entre ceux des composants adjacents. Cela réduit le dépannage et les retouches une fois que la carte est entièrement assemblée et sous tension.

Un circuit imprimé traversant dans une application amateur, dans ce cas une pédale d'effet de guitare. Remarquez les circuits intégrés, qui sont tous à 8 broches ou à 14 broches sur des centres de 0,100" x 0,300". . (Source de l'image : Epec Engineered Technologies)

Les cartes à trous traversants peuvent également être utiles dans des contextes plus professionnels, en particulier au stade du prototype d'un projet. La disposition du prototype peut temporairement utiliser des composants traversants afin que la carte puisse être assemblée rapidement pour une évaluation de base de la preuve de concept. Une fois que la carte fonctionne correctement, le concepteur peut échanger des types SMT plus petits de mêmes valeurs et réviser la disposition du circuit imprimé dans un encombrement réduit pour les tests finaux et la production éventuelle. Faire les choses de cette façon peut permettre d'économiser des coûts initiaux pour un projet, en particulier ceux associés à la sous-traitance d'un petit lot à un assembleur extérieur. Gardez à l'esprit que les petits lots exigent souvent des prix élevés de la part de prestataires de services externes, qui préfèrent naturellement mettre en place des cycles de production à grand volume qui maintiennent leurs machines en marche.

Réduction des coûts de la technologie Through-Hole

Avec un circuit imprimé traversant, il n'est pas nécessaire de générer un nouveau gabarit de soudure chaque fois que le circuit imprimé subit un changement de révision. Cela peut permettre d'économiser des centaines de dollars sur une conception qui passe par deux ou trois rotations avant d'être jugée fonctionnelle. Il est également inutile de configurer un équipement de prise et de placement, ou d'acheter des bobines de composants SMT, jusqu'à ce que la configuration finale du circuit imprimé fonctionne et soit prête pour la production.

Les tests en circuit après l'assemblage des composants peuvent souvent être effectués manuellement et en interne pour un petit lot de cartes, éliminant ainsi les dépenses d'installations ou les frais de configuration associés. Il est également possible d'utiliser une soudure étain-plomb (la métallisation de surface la moins coûteuse) lorsque l'on travaille avec des cartes à trous traversants. La non-planéité inhérente au nivellement de la soudure à air chaud (HASL), qui peut rendre difficile le placement de composants montés en surface à pas fin, n'est pas un problème avec les conceptions à trou traversant.

Un autre avantage au-delà de l'évitement des surcoûts liés au SMT est qu'il est possible d'évaluer les problèmes mécaniques (tels que le gauchissement et la torsion excessifs) lors de la validation, et de les compenser lors de la reconception sans causer de difficultés d'assemblage insurmontables, comme cela pourrait se produire avec le SMT. En effet, la déformation et la torsion ne sont pas aussi critiques sur un circuit imprimé assemblé à la main que sur un circuit équipé d'un équipement de sélection et de placement. Un assembleur humain peut simplement modifier l'angle de son poignet pour améliorer l'ajustement d'un composant tenace, mais une machine automatisée nécessite un PCB avec un haut degré de planéité pour fonctionner correctement. Votre prototype à trou traversant peut révéler des défauts mécaniques liés à la conception avant qu'ils ne deviennent des correspondances à trois voies coûteuses et chronophages entre votre fabricant de PCB, votre assembleur sous contrat et vous-même.

Lorsque les types de composants nécessaires sont disponibles sous forme de trou traversant, l'utilisation de la technologie de trou traversant pendant le cycle de développement peut maintenir votre projet sur la bonne voie et simplifier le processus d'assemblage de projets de prototypes et de petits lots sans payer pour des services tiers. Les délais peuvent être plus prévisibles et contrôlables avec moins de problèmes secondaires susceptibles de retarder le délai critique de mise sur le marché de votre produit. Il peut donc être utile d'envisager au moins l'utilisation temporaire de composants traversants au cours des premières étapes de développement et de validation, que vous soyez, en tant qu'utilisateur final, un amateur, une start-up de l'industrie ou un fournisseur d'électronique établi.

Technologie de montage en surface

Quelles que soient les justifications de l'utilisation de composants traversants sur votre circuit imprimé, les composants montés en surface offrent de nombreux avantages que les types de trous traversants ne peuvent tout simplement pas égaler.

L'un des avantages les plus immédiatement évidents est qu'il est possible d'atteindre des niveaux beaucoup plus élevés de densité de composants et de puissance de traitement tout en intégrant le tout dans un PCBA global beaucoup plus petit et plus léger. Au fur et à mesure que les appareils contrôlés par les PCB deviennent de plus en plus petits, l'utilisation efficace de la surface disponible devient de plus en plus critique. La technologie SMT devient une nécessité.

Par exemple, il faudrait plusieurs processeurs doubles en ligne à 14 ou 16 broches, chacun mesurant environ 0,80 "x 0,35", pour même approximer la puissance de calcul disponible dans un seul processeur BGA ou QFP à 64 broches monté en surface, qui pourrait tenir dans une zone totale d'un pouce carré ou moins. En plus des empreintes de composants plus importantes pour les types à trous traversants, les interconnexions sur le PCB nécessiteraient un espace supplémentaire pour le placement via.

Miniaturisation en marche : Le processeur QFP monté en surface à 64 broches ne mesure que 0,472" x 0,472". . (Source de l'image : Epec Engineered Technologies)

En revanche, lors de l'utilisation de composants SMT, le trou traversant métallisé requis pour chaque conducteur de composant à trou traversant est éliminé et remplacé par une pastille de surface relativement petite. Il est alors possible de percer de petits vias dans les plots de montage en surface eux-mêmes, directement sous les fils des composants SMT, permettant des interconnexions sur l'axe Z, qui peuvent ensuite se déployer de la paroi du via vers une ou plusieurs couches de signal internes. Toutes ces interconnexions peuvent désormais se produire à l'intérieur ou à proximité immédiate de l'empreinte de l'appareil, ce qui permet d'économiser considérablement sur l'espace disponible. L'espace autour du composant SMT peut ensuite être utilisé pour le placement de composants supplémentaires. Les densités plus élevées possibles avec SMT sont un sous-produit à la fois de la plus petite taille d'empreinte des composants eux-mêmes et de l'espace récupéré par l'élimination des trous de montage des composants de perçage. Un avantage connexe est qu'il est courant que les cartes SMT utilisent les deux côtés du PCB pour le montage des composants.

De tels avantages s'accompagnent de plusieurs considérations, qui doivent être gardées à l'esprit lors de la conception des PCB SMT. Les matériaux, les finitions de surface et les caractéristiques mécaniques deviennent de plus en plus importants. Des problèmes avec l'un de ces éléments peuvent causer des maux de tête majeurs lorsque vient le temps d'assembler les PCB sur un équipement automatisé.

Considérations relatives à la conception d'un montage en surface

Les matériaux et la finition de surface jouent un rôle essentiel et sont, dans une certaine mesure, interactifs les uns avec les autres. La soudure au plomb utilisée dans HASL est un mauvais choix pour les travaux SMT (en particulier sur les composants avec des pas de broche inférieurs à 0,050 ") car elle a tendance à former une flaque à une extrémité de la pastille, où elle refroidit ensuite dans un état non plan. sion Tin lorsqu'il s'agit de CMS à pas plus fin.

BGA SMT 64 broches, pas de 0,031". Notez que les pastilles à billes ont de petites fossettes, ce qui indique qu'elles ont été utilisées pour placer des vias dans les pastilles afin de permettre le routage d'échappement de couche interne. (Source de l'image : Epec Engineered Technologies)

Il est également important de ne pas sous-spécifier votre stratifié de base. Les cartes SMT nécessitent généralement des températures de soudure plus élevées que les cartes à trous traversants, principalement en raison des finitions de surface sans plomb qui sont le plus souvent utilisées. Les matériaux conformes à la norme IPC-4101D/126 (Tg 170C, Td 340C, avec des charges inorganiques) résisteront à des températures de soudage élevées. Ils résisteront également à de multiples chocs de cyclage thermique, qui se produiront lors de l'assemblage de cartes SMT à deux faces ou de cartes utilisant plusieurs technologies de composants.

Les œuvres d'art Gerber ont besoin de quelques fonctionnalités supplémentaires pour que le processus d'assemblage SMT se déroule sans heurts. Ajoutez au moins un ensemble de pastilles fiduciales aux couches externes (le plus souvent dans un motif en « L » le long des bords extérieurs du PCB) afin que l'équipement de sélection et de placement ait une référence pour l'équarrissage du PCB et pour établir un point de référence dimensionnel. Envisagez d'éliminer les ouvertures du masque de soudure pour les vias afin de minimiser le risque de courts-circuits de soudure et d'éliminer les réflexions qui peuvent perturber l'unité de sélection et de placement lorsqu'elle tente d'identifier les repères. Pour les tests en circuit, il est souvent recommandé d'ajouter des pastilles de point de test là où vous en avez besoin. Selon l'équipement de test, ceux-ci peuvent être de type SMT ou ils peuvent inclure des trous pour accepter les sondes de test. Travaillez avec votre assembleur ou service de test pour déterminer quel type est le meilleur.

Compte tenu de l'importance de la précision dimensionnelle et de la nature des équipements d'assemblage automatisés, il est important de "concevoir" la planéité. Faites cela en équilibrant la couverture de cuivre aussi uniformément que possible d'une couche à l'autre et en versant du cuivre dans de grandes zones vierges partout où vous le pouvez. Cela empêchera des contraintes inégales de tirer le matériau dans une direction particulière après la gravure.

Utilisez des empilements, qui sont symétriques autour du centre de la pile, de sorte que les couches se soutiennent mutuellement dans l'axe Z. Par exemple, un circuit imprimé à six couches s'empilera généralement comme suit : Top Signal L1, Prepreg, Plane L2, FR4 core, Internal Signal L3, Prepreg, Internal Signal L4, FR4 Core, Plane L5, Prepreg, Bottom Signal L6. Cela fonctionnera tant que la zone de cuivre sur chaque couche est assez bien équilibrée (en particulier sur les paires de couches centrales à L2-L3 et L4-L5) et placera des plans où ils seront disponibles comme référence pour le contrôle d'impédance aux couches 1+3, 4+6.

Si vous construisez un prototype et qu'il se déforme ou se tord, n'essayez pas de "résoudre" le problème en ajoutant une exigence de dessin pour la déformation et la torsion qui dépasse ce qu'exige l'IPC. Les spécifications de déformation et de torsion IPC sont déjà deux fois plus strictes pour le SMT que pour le trou traversant, et la plupart des fabricants repousseront si vous demandez quelque chose de plus serré. Au lieu de cela, revoyez la conception pour les causes potentielles du problème et assurez-vous de comprendre quand le problème se produit - sur les PCB nus tels qu'ils ont été reçus, pendant l'assemblage, ou les deux. Travaillez ensuite avec le fabricant, qui peut souvent faire des recommandations qui résoudront le problème lors des cycles ultérieurs.

Trou traversant ou SMT ?

Alors que SMT est de loin la technologie la plus courante au cours des dernières années, le trou traversant peut encore répondre à certains besoins, tant qu'il peut fournir la puissance de traitement nécessaire dans une taille d'empreinte raisonnable. Il est utile de considérer les deux types de PCB et de peser leurs avantages et inconvénients avant de lancer votre cycle de développement.

Comparaison des caractéristiques

Montage en surface à trou traversant

Finition HASL non plane la plus courante.

Finition plane (ENIG, Immersion Silver, OSP.)

Trou requis pour l'insertion du câble du composant.

Les composants se montent sur les coussinets de surface, sans trou.

Assemblage 2 faces rare.

Montage 2 faces commun.

Espacement des fils des composants généralement de 0,100" ou plus.

Espacement des fils des composants 0,0157" (0,0197" commun.)

Assemblage manuel.

Assemblage automatisé.

Soudage manuel ou automatisé.

Soudure généralement automatisée.

Pochoir non requis.

Pochoir requis sauf si petit lot, PCB simple.

Vias dans les pastilles impossibles.

Vias dans les pastilles possibles.

Stratifié à température standard (130C Tg).

Stratifié haute température (170C Tg).

Points de test traversants.

Points de test traversants ou SMT.

Faible densité de composants et de circuits.

Densité de composants considérablement augmentée.

Empreinte PCB plus grande.

Empreinte PCB minimale.

Retravail relativement simple.

Certains rework plus impliqués.

Torsion et déformation modérées tolérables.

Déformation et torsion plus critiques pour l'assemblage.

Coussinets de repère non requis pour le placement des composants.

Plaquettes de repère requises pour les équipements automatisés de pick-and-place.

Al Wright est ingénieur d'applications PCB sur le terrain chez Epec Engineered Technologies.

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