Por Que Usar a Tecnologia de Furos Metalizados em Design de PCB?

Quando se trata de tecnologia, nunca olhamos para trás. Às vezes, parece que a tecnologia antiga simplesmente não quer desaparecer. Um exemplo pode ser visto na tecnologia de montagem através de furo para seus componentes eletrônicos; essa classe de componentes legados parece persistir até hoje, mesmo com novos designs exigindo componentes cada vez menores.

Mas é realmente tão simples assim? Por que usar a tecnologia through-hole em placas de circuito impresso (PCBs) quando parece que os componentes de tecnologia de montagem em superfície (SMT) são menores e permitem um posicionamento mais compacto dos componentes em sua PCB? Como na maioria das decisões de design, existem compensações envolvidas no uso de cada tipo de componente. Para começar, vamos dar uma rápida explicação sobre a tecnologia de montagem através de furo e a tecnologia de montagem em superfície, conforme se aplicam ao processo de design de PCB.

O que são Componentes Through-Hole?

Assim como todos os outros componentes, os componentes de placas de circuito com furos passantes podem ser grosseiramente divididos em componentes ativos e passivos. Cada tipo de componente é montado na placa da mesma maneira. O designer precisa colocar furos passantes no layout da PCB, onde os furos são cercados por uma almofada na camada superficial para soldagem. O processo de montagem através do furo é simples: coloque os terminais do componente nos furos e solde o terminal exposto à almofada. Os componentes de placas de circuito com furos passantes são grandes e robustos o suficiente para que possam ser facilmente soldados à mão. Para componentes passivos com furos passantes, os terminais do componente podem ser bastante longos, então eles são frequentemente cortados para um comprimento menor antes da montagem.

Tecnologia Passiva com Furos Passantes

Os componentes passivos com furos passantes vêm em dois tipos possíveis de embalagens: radial e axial. Um componente com furo passante axial tem seus terminais elétricos correndo ao longo do eixo de simetria do componente. Pense em um resistor básico; os terminais elétricos correm ao longo do eixo cilíndrico do resistor. Diodos, indutores e muitos capacitores são montados da mesma maneira. Nem todos os componentes com furos passantes vêm em embalagens cilíndricas; alguns componentes, como resistores de alta potência, vêm em embalagens retangulares com um fio condutor descendo pelo comprimento da embalagem.

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Vista lateral de um componente de montagem axial através de furo.

Enquanto isso, os componentes radiais têm terminais elétricos que se projetam de uma extremidade do componente. Muitos capacitores eletrolíticos grandes são embalados desta forma, permitindo que sejam montados em uma placa passando o terminal por um furo de pad, ocupando assim um espaço menor na placa de circuito. Outros componentes como interruptores, LEDs, pequenos relés e fusíveis vêm embalados como componentes radiais através de furo.

Capacitores eletrolíticos radial (esquerda) e axial (direita).

Componentes Ativos Através de Furo

Se você se lembra das suas aulas de eletrônica, provavelmente se recordará dos circuitos integrados que utilizava com encapsulamento dual-inline (DIP) ou DIP de plástico (PDIP). Esses componentes normalmente são vistos montados em protoboards para desenvolvimento de prova de conceito, mas são comumente usados em PCBs reais. O pacote DIP é comum para componentes ativos de montagem através de furo, como pacotes de op-amp, reguladores de tensão de baixa potência e muitos outros componentes comuns. Outros componentes como transistores, reguladores de tensão de maior potência, ressonadores de quartzo, LEDs de maior potência e muitos outros podem vir em um pacote zig-zag in-line (ZIP) ou pacote de contorno de transistor (TO). Assim como a tecnologia passiva de montagem através de furo axial ou radial, esses outros pacotes são montados em uma PCB da mesma maneira.

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Os componentes through-hole surgiram em uma época em que os designers estavam mais preocupados em tornar os sistemas eletrônicos mecanicamente estáveis e menos preocupados com estética e integridade de sinal. Havia menos foco em reduzir o espaço ocupado pelos componentes, e problemas de integridade de sinal não eram uma preocupação. Mais tarde, à medida que o consumo de energia, integridade de sinal e requisitos de espaço na placa começaram a ganhar destaque, os designers precisaram usar componentes que fornecessem a mesma funcionalidade elétrica em um pacote menor. É aqui que entram os componentes de montagem em superfície.

Tecnologia de Montagem em Superfície

Se você observar qualquer design moderno de PCB, provavelmente verá placas que são dominadas por componentes de montagem em superfície. Os designs mais novos ainda usam componentes through-hole, mas esses componentes tendem a ser usados mais frequentemente em eletrônicos de potência e outros dispositivos que geram muito calor. A tecnologia de montagem em superfície é a tecnologia de pacote de componentes mais comumente usada hoje. Esse tipo de componente não usa pinos para condução elétrica. Em vez disso, as conduções aparecem como pequenas almofadas de metal no mesmo lado do componente. O propósito principal dessas almofadas é permitir a soldagem diretamente na superfície de uma PCB durante a montagem.

O uso de pads na tecnologia de montagem em superfície em comparação com a tecnologia through hole oferece certas vantagens, que serão discutidas a seguir. Além disso, o menor tamanho dos pads e o tamanho geral do componente fazem com que esses componentes tenham parasitas menos proeminentes. Isso permite que eles operem em velocidades/frequências mais altas antes de começar a notar problemas de integridade de sinal.

Se você se lembra do seu antigo PC, provavelmente se lembra dos processadores Pentium com o array de pinos na parte inferior do pacote. Esse tipo de pacote é chamado de pin grid array (PGA), que é semelhante ao pacote land grid array (LGA) mais moderno. Um componente PGA pode parecer um componente through-hole, mas não é soldado em furos na placa. Em vez disso, ele se conecta a um pacote montado na superfície que é soldado na placa. Isso permite que o componente PGA seja facilmente substituído ou atualizado, se necessário.

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Through-hole vs. Custos de Montagem em Superfície

Componentes de montagem em superfície tendem a ser menores do que um componente equivalente de montagem através de orifício (through-hole). No entanto, isso não significa necessariamente que o custo de um componente de montagem em superfície seja sempre mais barato simplesmente porque menos matérias-primas são usadas na fabricação desses componentes. Os próprios componentes de montagem em superfície podem custar um preço semelhante ao de um componente equivalente de montagem através de orifício. No entanto, uma vez considerados os custos de montagem automatizada por componente, o custo total por componente de montagem em superfície tende a ser mais barato do que um componente de montagem através de orifício com os mesmos valores de componente, classificações de potência/tensão e tolerâncias.

Essa diferença surge porque a colocação de componentes através de orifício requer a perfuração de buracos em sua PCB, o que acarreta custos de ferramentas. Em contraste, a perfuração não é necessária com componentes de montagem em superfície, o que explica a diferença de custo. Isso levanta a questão: se os componentes de montagem em superfície são menores, mais rápidos e mais baratos, então por que usar a tecnologia de montagem através de orifício de todo? A resposta depende do caso de uso para o seu design de PCB. Sim, a tecnologia de PCB através de orifício é antiga, grande e cara, mas há algumas vantagens.

Tecnologia Through-Hole: Vantagens e Desvantagens

PRO	CON
Mais fácil para prototipagem	Maior custo da placa devido à perfuração
Conexões físicas fortes	Ocupa mais espaço na placa
Tolerância ao calor	O processo de montagem da PCB é mais complexo
Capacidade de manejo de potência	Velocidades mais lentas

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Tecnologia de Montagem Superficial: Vantagens e Desvantagens

PRO	CON
Tamanho pequeno → Placas mais densas	Conexões físicas mais fracas com a PCB
Redução de parasitas → confiável em velocidades mais altas	Menor tolerância ao calor
Montagem mais rápida e barata	Menor capacidade de manejo de potência
Sem necessidade de perfuração → Fabricação da placa mais barata	DFM: tombstone, pop cornering, etc

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Ao comparar as duas tecnologias de design de PCB, é fácil ver por que a montagem superficial é a campeã reinante. Componentes de montagem superficial são menores, mais baratos e podem operar em velocidades mais altas. Isso é especialmente importante em aplicações mistas de sinal e pesadas em analógico que estão surgindo, como dispositivos IoT, novos dispositivos sem fio e dispositivos vestíveis. À medida que as velocidades de rede aumentam e novos dispositivos operam em taxas de dados mais altas, os componentes de montagem superficial continuarão a aparecer, pois geralmente não podem ser substituídos por componentes through-hole.

O problema com os parasitas em componentes through-hole e os parasitas criados no layout da PCB apresenta um desafio para produtos automotivos, aeroespaciais e militares que precisam ser muito robustos, mas também precisam operar em bandas de GHz. Existem muitos desafios onde um componente through-hole pode criar maior perda de inserção ao longo de uma interconexão em frequências mmWave. No entanto, componentes through-hole são desejados nessas aplicações, pois os pontos de solda têm menos probabilidade de falhar durante a operação. Ainda há muita inovação que pode ocorrer nesta área.

Os líderes tecnológicos também estão avançando em direção a uma sociedade conectada, e o tamanho importa quando se trata de design de PCB. Na busca por computação ubíqua, IoT ou a “inteligência ambiente” que todos desejamos, a tendência de fazer componentes cada vez menores inclui a própria placa. Componentes menores possibilitam placas menores, permitindo-nos construir placas de circuito impresso em quase qualquer formato. Tamanhos menores significam custos de fabricação mais baixos. Componentes e placas menos caros proporcionam economia de custos para o cliente final.

A tecnologia de montagem through-hole é ótima para prototipagem e testes, pois permite trocar facilmente componentes em uma placa de circuito impresso. Mesmo antes de desenhar sua placa, você pode montar seu design em uma protoboard usando tecnologia through-hole.

Além de prototipagem e testes, os componentes through-hole têm ligações físicas muito fortes com a placa, pois são soldados tanto na parte superior quanto na inferior da placa. Isso torna as placas com tecnologia de montagem through-hole muito duráveis, o que é parte do motivo pelo qual são usadas no militar e na aeroespacial. Eles também têm uma alta tolerância a temperaturas. Você pode encontrar a tecnologia through-hole em todos os tipos de lugares. Um exemplo está nas luzes LED de outdoors ou estádios. Os LEDs through-hole são extremamente brilhantes e duráveis, permitindo que resistam aos elementos externos.

Também, se você olhar para máquinas e equipamentos industriais, pode encontrar muitas placas que são construídas quase exclusivamente usando componentes through-hole. Novamente, isso se deve às condições operacionais severas, como extremos de temperatura ou situações que envolvem alto consumo de energia. A tecnologia through-hole pode ser antiga e parecer ultrapassada, mas tem um propósito e pode ser usada por sua resistência física e força no mundo conectado de hoje.

Componentes through-hole em uma fonte de alimentação

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