Почему стоит использовать технологию металлизированных сквозных отверстий в дизайне печатных плат?

Когда речь заходит о технологиях, мы никогда не оглядываемся назад. Иногда кажется, что старые технологии просто не хотят уходить. Одним из примеров может служить технология монтажа через отверстия для ваших электронных компонентов; эта категория устаревших компонентов, кажется, до сих пор остается актуальной, даже когда новые дизайны требуют всё более мелких компонентов.

Но действительно ли все так просто? Почему использовать технологию монтажа через отверстия в печатных платах (PCB), когда кажется, что компоненты поверхностного монтажа (SMT) меньше и позволяют более компактно размещать компоненты на вашей PCB? Как и в большинстве дизайнерских решений, использование каждого типа компонентов влечет за собой компромиссы. Для начала давайте кратко рассмотрим технологию монтажа через отверстия и технологию поверхностного монтажа, поскольку они относятся к процессу дизайна печатной платы PCB.

Что такое компоненты монтажа через отверстия?

Как и все другие компоненты, компоненты печатных плат с металлизированными сквозными отверстиями можно условно разделить на активные и пассивные. Каждый тип компонентов монтируется на плату одинаковым образом. Конструктор должен разместить сквозные отверстия на макете печатной платы, вокруг которых на поверхностном слое находится площадка для пайки. Процесс монтажа сквозных отверстий прост: разместите выводы компонента в отверстия и припаяйте обнаженный вывод к площадке. Компоненты печатных плат с металлизированными сквозными отверстиями достаточно крупные и прочные, чтобы их можно было легко припаять вручную. Для пассивных компонентов с сквозными отверстиями выводы компонента могут быть довольно длинными, поэтому их часто обрезают до меньшей длины перед монтажом.

Пассивная технология сквозных отверстий

Пассивные компоненты с сквозными отверстиями бывают двух возможных типов упаковки: радиальные и осевые. Осевой компонент с сквозными отверстиями имеет свои электрические выводы, проходящие вдоль оси симметрии компонента. Подумайте о базовом резисторе; электрические выводы проходят вдоль цилиндрической оси резистора. Диоды, индуктивности и многие конденсаторы монтируются таким же образом. Не все компоненты с сквозными отверстиями имеют цилиндрические упаковки; некоторые компоненты, например, высокомощные резисторы, имеют прямоугольные упаковки с проводом вывода, проходящим вдоль длины упаковки.

PCB Layout

An integrated PCB editor along with real-time connection to multiple domains.

Explore Solutions

Боковой вид компонента с осевым сквозным монтажом.

Тем временем, радиальные компоненты имеют выводы, выступающие с одного конца компонента. Многие большие электролитические конденсаторы упаковываются именно таким образом, что позволяет монтировать их на плату, пропуская вывод через отверстие на площадке, при этом занимая меньше места на печатной плате. Другие компоненты, такие как переключатели, светодиоды, малые реле и предохранители, поставляются в виде радиальных сквозных компонентов.

Радиальные (слева) и осевые (справа) электролитические конденсаторы.

Активные сквозные компоненты

Если вы вспомните свои уроки по электронике, то, скорее всего, вспомните интегральные схемы, которые вы использовали в двухрядном корпусе (DIP) или пластиковом DIP (PDIP). Эти компоненты обычно используются на макетных платах для демонстрации концепции, но они также широко применяются в реальных печатных платах. Корпус DIP распространён для активных выводных компонентов, таких как корпусы операционных усилителей, низковольтные регуляторы напряжения и многие другие распространённые компоненты. Другие компоненты, такие как транзисторы, регуляторы напряжения большей мощности, кварцевые резонаторы, светодиоды большей мощности и многие другие, могут поставляться в корпусе с зигзагообразным расположением выводов (ZIP) или корпусе транзистора (TO). Так же, как и пассивные компоненты с осевым или радиальным выводом, эти другие корпуса монтируются на печатную плату одинаковым образом.

High-Speed PCB Design

Simple solutions to high-speed design challenges.

Learn More

Компоненты с отверстиями появились в то время, когда разработчики больше заботились о механической стабильности электронных систем и меньше обращали внимание на эстетику и целостность сигнала. Меньше внимания уделялось уменьшению занимаемого компонентами пространства, и проблемы с целостностью сигнала не вызывали беспокойства. Позже, когда потребление энергии, целостность сигнала и требования к пространству на плате начали выходить на первый план, разработчикам потребовались компоненты, которые обеспечивают ту же электрическую функциональность в более компактном корпусе. Здесь на сцену выходят компоненты для поверхностного монтажа.

Технология поверхностного монтажа

Если вы посмотрите на любой современный дизайн печатной платы, вы, скорее всего, увидите платы, на которых преобладают компоненты для поверхностного монтажа. В новых конструкциях все еще используются компоненты с отверстиями, но эти компоненты чаще используются в силовой электронике и других устройствах, генерирующих много тепла. Технология поверхностного монтажа является наиболее часто используемой технологией упаковки компонентов сегодня. Эти типы компонентов не используют штыри для электрических выводов. Вместо этого выводы представляют собой маленькие металлические площадки на той же стороне компонента. Основная цель этих площадок - позволить прямую пайку на поверхность печатной платы во время сборки.

Использование контактных площадок в технологии поверхностного монтажа по сравнению с технологией сквозного монтажа предоставляет определенные преимущества, которые будут обсуждены ниже. Кроме того, меньший размер площадок и общий размер компонентов приводят к тому, что у этих компонентов менее выраженные паразитные параметры. Это позволяет им работать на более высоких скоростях/частотах, прежде чем начнут заметны проблемы с целостностью сигнала.

Если вы помните свой старый ПК, то, вероятно, помните процессоры Pentium с массивом контактов на нижней части корпуса. Такой тип корпуса называется массивом контактных выводов (PGA), который похож на более современный корпус с массивом контактных площадок (LGA). Компонент в корпусе PGA может выглядеть как компонент для сквозного монтажа, но он не паяется в отверстия на плате. Вместо этого он вставляется в корпус для поверхностного монтажа, который паяется на плату. Это позволяет легко заменять или модернизировать компонент PGA при необходимости.

Unparalleled Schematic Capture

Easily design schematics of any complexity.

Learn More

Сквозной монтаж против Поверхностного монтажа: Стоимость

Поверхностный монтаж компонентов обычно позволяет использовать более мелкие детали, чем аналогичные компоненты с монтажом сквозь отверстие. Однако это не обязательно означает, что стоимость компонента поверхностного монтажа всегда будет ниже, просто потому что на их производство используется меньше сырья. Сами компоненты поверхностного монтажа могут стоить примерно столько же, сколько и аналогичные компоненты с монтажом сквозь отверстие. Однако, если учесть стоимость автоматизированной сборки на компонент, общая стоимость компонента поверхностного монтажа, как правило, оказывается ниже, чем у компонента с монтажом сквозь отверстие при тех же значениях компонента, номиналах мощности/напряжения и допусках.

Эта разница возникает из-за того, что для монтажа компонентов сквозь отверстие требуется сверление отверстий в вашей печатной плате, что влечет за собой затраты на инструмент. В отличие от этого, при использовании компонентов поверхностного монтажа сверление не требуется, что и объясняет разницу в стоимости. Все это приводит к вопросу: если компоненты поверхностного монтажа меньше, быстрее и дешевле, то зачем вообще использовать технологию монтажа сквозь отверстие? Ответ зависит от конкретного случая использования вашего дизайна печатной платы. Да, технология печатных плат с монтажом сквозь отверстие старая, большая и дорогая, но у нее есть свои преимущества.

Технология монтажа сквозь отверстие: преимущества и недостатки

ПРЕИМУЩЕСТВА	НЕДОСТАТКИ
Удобнее для прототипирования	Большая стоимость платы из-за сверления
Надежные физические соединения	Занимает больше места на плате
Термостойкость	Процесс сборки печатной платы более сложный
Способность к управлению мощностью	Медленные скорости

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

Технология поверхностного монтажа: преимущества и недостатки

ПРО	ПРОТИВ
Малый размер → Более плотные платы	Слабые физические соединения с печатной платой
Сниженные паразитические параметры → надежная работа на высоких скоростях	Низкая термостойкость
Быстрая и дешевая сборка	Низкая способность к управлению мощностью
Отсутствие необходимости в сверлении → Дешевое изготовление платы	DFM: эффект "надгробия", выскакивание углов и т.д.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Explore Solutions

Сравнивая две технологии проектирования печатных плат, легко понять, почему технология поверхностного монтажа является лидером. Компоненты поверхностного монтажа меньше, дешевле и могут работать на более высоких скоростях. Это особенно важно в предстоящих приложениях смешанных сигналов и с большим количеством аналоговых компонентов, таких как устройства IoT, новые беспроводные устройства и носимые устройства. По мере увеличения скорости сетей и работы новых устройств на более высоких скоростях передачи данных, компоненты поверхностного монтажа будут продолжать появляться, поскольку они, как правило, не могут быть заменены компонентами сквозного монтажа.

Проблема с паразитными параметрами в сквозных компонентах и паразитными параметрами, создаваемыми на печатной плате, представляет собой вызов для автомобильной, аэрокосмической и военной продукции, которая должна быть очень надежной, но также должна работать на частотах, значительно превышающих гигагерцы. Существует множество проблем, при которых сквозной компонент может создавать большое поглощение сигнала вдоль соединения на частотах миллиметрового диапазона. Однако сквозные компоненты желательны в этих приложениях, поскольку точки пайки менее склонны к отказу во время работы. В этой области все еще есть место для инноваций.

Лидеры в области технологий также стремятся к созданию связанного общества, и размер имеет значение, когда речь идет о дизайне печатных плат. В стремлении к повсеместному вычислению, IoT или к "всепроникающему интеллекту", которого мы все желаем, уменьшение размеров компонентов включает в себя и саму плату. Меньшие компоненты позволяют создавать меньшие платы, что дает нам возможность проектировать печатные платы практически любого форм-фактора. Меньшие размеры означают снижение производственных затрат. Более дешевые компоненты и платы обеспечивают экономию затрат для конечного потребителя.

Технология монтажа сквозных компонентов отлично подходит для прототипирования и тестирования, поскольку вы легко можете заменять компоненты на печатной плате. Даже до того, как вы спроектируете вашу плату, вы можете собрать вашу схему на макетной плате с использованием технологии сквозного монтажа.

Помимо прототипирования и тестирования, выводные компоненты обладают очень прочным физическим соединением с платой, поскольку они припаиваются как сверху, так и снизу платы. Это делает платы с технологией монтажа через отверстия очень прочными, что частично объясняет их использование в военной и аэрокосмической отраслях. Также они обладают высокой температурной стойкостью. Технологию монтажа через отверстия можно найти в самых разных местах. Один из примеров — это светодиоды на рекламных щитах или стадионах. Светодиоды с монтажом через отверстия чрезвычайно яркие и прочные, что позволяет им выдерживать внешние воздействия.

Также, если посмотреть на промышленные машины и оборудование, можно найти множество плат, построенных почти исключительно на выводных компонентах. Опять же, это связано с суровыми условиями эксплуатации, такими как крайние температуры или ситуации, связанные с высоким потреблением энергии. Технология монтажа через отверстия может показаться старой и устаревшей, но она имеет свое предназначение и может использоваться за счет своей физической выносливости и прочности в современном подключенном мире.

Выводные компоненты в блоке питания

Altium Designer на Altium 365 обеспечивает беспрецедентный уровень интеграции для электронной промышленности, который до сих пор был ограничен миром разработки программного обеспечения, позволяя дизайнерам работать из дома и достигать невиданных ранее уровней эффективности.

Мы только начали осваивать возможности, которые открывает Altium Designer на Altium 365. Вы можете посетить страницу продукта для более подробного описания функций или один из вебинаров по запросу.

Хотите узнать больше? Посетите наш популярный блог с руководствами по проектированию печатных плат и учитесь у наших экспертов.