SMT 与通孔插装：为您的 PCB 设计选择合适的组装方法
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SMT 与通孔插装：为您的 PCB 设计选择合适的组装方法
在设计印刷电路板 (PCB) 时，工程师面临的最关键决策之一是选择合适的组件组装方法。两种主流技术——表面贴装技术 (SMT) 和通孔技术（也称为镀通孔或 PTH）——各自具有独特的优势和局限性。作为领先的 PCB 组装制造商，SUNTOP Electronics 深知，选择哪种方法不仅会影响最终产品的功能和可靠性，还会影响其可制造性、成本和上市时间。
在这份综合指南中，我们将探讨 SMT 和通孔组装之间的技术差异，通过各种指标比较它们的性能，并提供有关何时使用每种方法的实用指导。无论您是在开发消费电子产品、工业控制设备还是高可靠性医疗设备，了解这些核心组装技术都将使您能够在 PCB 设计 阶段做出明智的决策。
了解表面贴装技术 (SMT)
什么是 SMT？
表面贴装技术 (SMT) 是一种将电子组件直接安装到 PCB 表面上的方法，不需要引脚穿过孔洞。SMT 开发于 20 世纪 60 年代，并在 80 年代被广泛采用，它通过实现更小、更轻和更密集的电路板彻底改变了电子制造业。
与传统的通孔组件（其导线引脚穿过电路板上的钻孔）不同，SMT 组件——通常称为“片式组件”——具有扁平端子或小引脚，设计用于直接焊接在 PCB 表面的铜焊盘上。
SMT 组装如何工作
SMT 工艺涉及几个精确的步骤：
- 锡膏涂敷：将钢网对准在裸 PCB 上，然后将锡膏（微小焊料颗粒和助焊剂的混合物）涂敷在将要放置组件的焊盘上。
- 组件贴装：使用高速贴片机，将 SMT 组件精确地放置在涂有锡膏的焊盘上。
- 回流焊接：电路板通过回流焊炉，受控的热量使锡膏熔化，形成永久的电气和机械连接。
- 检查和测试：自动光学检测 (AOI)、X 射线检测（用于 BGA 等隐藏接头）和功能测试可确保质量和可靠性。
这种自动化工作流程允许每小时快速生产具有数千个组件的复杂电路板，使 SMT 成为大规模生产环境的理想选择。
SMT 的优势
SMT 成为现代电子产品的标准是有充分理由的。其好处包括：
- 更小的占地面积：组件可以放置在电路板的两侧，显著提高了组件密度。
- 更高的电路速度：更短的引脚减少了寄生电感和电容，提高了高频下的信号完整性。
- 更低的材料成本：无需钻无数个孔，降低了制造复杂性和成本。
- 自动化制造：与自动化装配线的高度兼容性提高了吞吐量和一致性。
- 轻量化设计：非常适合尺寸和重量至关重要的便携式和可穿戴电子产品。
例如，由于空间限制和性能要求，智能手机、平板电脑和物联网设备几乎完全依赖 SMT。
常见的 SMT 组件类型
一些典型的 SMT 封装包括：
- 片式电阻器/电容器（0402、0603 等）
- 小外形集成电路 (SOIC)
- 四方扁平封装 (QFP)
- 球栅阵列 (BGA)
- 薄收缩型小轮廓封装 (TSSOP)
这些组件以紧凑的外形实现了先进的功能，支持人工智能、5G 和边缘计算方面的创新。
您知道吗？ 目前生产的所有 PCB 中有超过 75% 仅使用 SMT 或与通孔技术结合使用。
探索通孔技术 (PTH)
什么是通孔或镀通孔 (PTH)？
通孔技术，通常称为镀通孔 (PTH)，涉及将组件引脚穿过 PCB 上的预钻孔，然后在另一侧进行焊接。在 SMT 兴起之前，这种方法是行业标准，并且在要求坚固机械结合的应用中仍然具有相关性。
每个孔都镀有铜以在层之间建立电气连接，因此称为“镀通孔”。此方法中使用的组件通常是轴向或径向引脚类型，例如电解电容器、变压器和连接器。
PTH 组装如何工作
PTH 组装过程包括：
- 钻孔：精密钻孔创建与组件引脚位置相对应的孔。
- 电镀：化学镀铜确保通孔壁的导电性。
- 组件插入：手动或通过自动插入机插入引脚。
- 波峰焊接：电路板通过熔融焊料波峰
，焊料润湿暴露的引脚和焊盘，形成牢固的焊点。 5. 人工补焊和检查：由于自动化率较低，通常需要人工检查和纠正。
虽然比 SMT 慢，但 PTH 在恶劣环境中提供了无与伦比的耐用性。
通孔组件的优势
尽管较老，但 PTH 因其独特的优势而继续发挥重要作用：
- 卓越的机械强度：组件物理锚定在电路板上，使其能够抵抗振动、冲击和热应力。
- 高功率处理：更大的引脚和更好的散热允许 PTH 部件管理更高的电流和电压。
- 易于原型设计和维修：非常适合开发阶段的面包板和手工焊接。
- 可靠的连接：牢固的焊点将关键任务系统中的故障风险降至最低。
航空航天、国防、汽车和重型机械等行业仍严重依赖 PTH 用于电源、继电器和加固连接器。
PTH 的常见应用
最适合通孔安装的组件示例包括：
- 功率晶体管和 MOSFET
- 大型电解电容器
- 变压器和电感器
- 接线端子和排针
- 高引脚数连接器
这些组件受益于将引脚穿过电路板所提供的结构支撑。
SMT 和通孔 (PTH) 之间的主要区别
为了帮助您决定哪种方法适合您的项目，让我们在几个关键参数上比较 SMT 和 PTH。
1. 尺寸和密度
| 参数 | SMT | PTH |
|---|---|---|
| 组件尺寸 | 超小（例如 0201 芯片） | 较大，带引脚的组件 |
| 占板空间 | 极小；允许双面贴装 | 需要更多空间，因为有孔间隙 |
| 组件密度 | 极高 | 中等至低 |
SMT 实现了现代消费电子产品必不可少的小型化。例如，单个智能手机主板可能在不到 100 平方厘米的面积内包含超过 1,000 个 SMT 组件。
2. 电气性能
| 参数 | SMT | PTH |
|---|---|---|
| 信号完整性 | 在高频下表现出色，因为路径更短 | 较长的引脚会增加电感，影响射频性能 |
| 寄生效应 | 低 | 由于引脚长度而较高 |
| 阻抗控制 | 使用受控走线更容易实现 | 更具挑战性，因为组件引脚充当天线 |
对于高速数字电路和射频应用，SMT 明显更优越。致力于 5G 模块或 Wi-Fi 6E 路由器的工程师必须优先考虑 SMT 以保持信号保真度。
3. 机械可靠性
| 参数 | SMT | PTH |
|---|---|---|
| 抗振性 | 通过适当的底部填充表现良好 | 由于穿板锚定而表现出色 |
| 热循环耐久性 | 中等；取决于接头设计 | 高；能很好地处理反复的膨胀/收缩 |
| 抗冲击性 | 除非加固，否则较低 | 卓越；非常适合军用级设备 |
在汽车引擎盖下电子设备或航空电子设备中，普遍存在极端条件，尽管有尺寸上的不利因素，PTH 往往仍然是首选。
4. 成本考虑
| 参数 | SMT | PTH |
|---|---|---|
| 制造成本 | 较低（较少/无钻孔） | 较高（钻孔增加时间和磨损） |
| 组装成本 | 大规模时较低（自动化） | 较高（人工或专用插入机） |
| 工具成本 | 中等（钢网、飞达） | 高（钻头、波峰焊治具） |
| 返工成本 | 中等到高（特别是 BGA） | 较低（更容易接触和拆焊） |
虽然 SMT 在批量生产中获胜，但对于小批量原型或维修场景，PTH 可能更经济。
5. 生产速度和可扩展性
| 参数 | SMT | PTH |
|---|---|---|
| 贴装速度 | 每小时数千个组件 | 每小时数百个 |
| 自动化水平 | 可能实现全自动生产线 | 部分自动化；通常是混合设置 |
| 适合大规模生产 | 极佳 | 有限 |
现代 SMT 生产线可以在几分钟内完成整个电路板的贴装和焊接，而 PTH 组装需要额外的处理和加工步骤。
混合方法：结合 SMT 和 PTH
实际上，许多 PCB 采用 混合技术 方法——利用 SMT 和 PTH 的优势。这种混合策略允许设计人员同时优化性能、可靠性和成本。
为什么要同时使用这两种方法？
考虑一个电源单元 (PSU)：
- 控制 IC、电阻器和电容器 使用 SMT 安装，以实现紧凑和速度。
- 大电流电感器、桥式整流器和接线端子 使用 PTH，以实现热稳定性和机械稳定性。
通过结合两者，工程师可以实现满足电气、环境和经济要求的平衡解决方案。
混合组装中的制造挑战
生产混合板带来了物流上的复杂性：
- 顺序加工：电路板通常先经过 SMT，然后是 PTH。
- 热管理：SMT 的回流焊温度不得损坏已安装的 PTH 组件。
- 粘合剂固定：为了防止 SMT 部件在波峰焊过程中脱落，可以使用粘合剂在 PTH 加工前将其固定。
在 SUNTOP Electronics，我们灵活的 PCB 组装服务 适应混合技术构建，并具有优化的工作流程，以确保良率和可靠性。
实际案例：工业电机控制器
一个工业电机控制器可能包括：
- 微控制器和逻辑电路 → SMT
- 栅极驱动器和光耦合器 → SMT
- 功率继电器和带散热片的晶体管 → PTH
- AC 输入/输出端子 → PTH
这种融合确保了精确控制，同时承受高电流负载和工厂车间的振动。
影响选择 SMT 和 PTH 的因素
选择正确的组装方法不仅仅是偏好问题，还是受多种因素影响的战略性工程决策。
1. 应用环境
恶劣环境要求坚固的结构：
- 军事/航空航天：首选 PTH 以获得抗冲击性。
- 消费电子：因尺寸和成本而青睐 SMT。
- 医疗设备：通常结合两者以实现可靠性和小型化。
- 汽车：ECU 使用 SMT，发动机舱传感器使用 PTH。
环境认证测试（例如 MIL-STD-810、ISO 16750）指导材料和组装选择。
2. 功率要求
大功率电路产生热量并需要稳定的连接：
- 低于 1A：SMT 足够
- 高于 5A：建议 PTH 或带散热片的混合技术
热通孔和铜皮可以增强 SMT 散热，但物理锚定对于大型功率器件仍然至关重要。
3. 频率和信号速度
对于模拟和射频设计：
- 频率 > 100 MHz：首选 SMT
- 高速数字（USB 3.0、PCIe）：必须使用 SMT
- 低频控制信号：PTH 可接受
使用 SMT 组件更容易实现阻抗匹配和受控阻抗走线。
4. 产量和生产规模
- 原型和小批量 (<100 单元)：PTH 更易于手工组装
- 中等批量 (100–10k 单元)：混合或带有选择性 PTH 的 SMT
- 大批量 (>10k 单元)：SMT 因效率而占主导地位
工具投资在大批量生产中偏向 SMT，而设置的简便性使 PTH 在小批量生产中受益。
5. 生命周期和维护需求
预期进行现场维修的产品受益于 PTH：
- 现场可更换的保险丝、连接器或开关
- 教育套件和 DIY 电子产品
- 旧系统升级
SMT 组件，尤其是微型 BGA，如果没有专用工具很难更换。
优化 SMT 和 PTH 选择的设计技巧
有效的 PCB 设计 始于对组装方法的早期考虑。以下是指导您选择的可行技巧。
1. 从功能框图开始
将您的电路分解为功能块：
- 功率级 → 可能为 PTH
- 数字处理 → 肯定为 SMT
- 接口/连接 → 根据连接器类型评估
这种模块化思维简化了权衡分析。
2. 优先考虑组件可用性
检查组件数据表以获取封装选项：
- 许多 IC 现在只有 QFN 或 BGA（仅限 SMT）。
- 一些旧部件仅以 DIP（双列直插式封装）格式存在。
除非必要，否则避免围绕过时的仅限 PTH 的组件进行设计。
3. 规划可测试性
确保测试点可访问：
- SMT 测试焊盘直径应 ≥0.9 毫米
- 避免将 PTH 组件放置在阻碍探针接触的地方
尽早设计在线测试 (ICT) 和 边界扫描 (JTAG)。
4. 考虑热管理
对于耗能组件：
- 在 SMT 焊盘下方使用热通孔
- 提供足够的铜面积
- 对于非常高的热量，考虑使用带外部散热片的 PTH
热有限元分析 (FEA) 等仿真工具有助于预测热点。
5. 尽早与您的制造商合作
在设计阶段让您的 PCB 组装制造商 参与进来。在 SUNTOP Electronics，我们提供 可制造性设计 (DFM) 审查，以在生产前发现潜在问题。
我们发现的常见陷阱：
- 封装未对齐
- 阻焊层屏障不足
- 缺少极性标记
- 钢网厚度不正确
早期反馈可以节省时间和金钱。
未来趋势：SMT 和 PTH 将走向何方？
技术演进继续塑造 PCB 组装的格局。
小型化推动 SMT 创新
趋势包括：
- 超细间距组件（0.3 毫米间距）
- 晶圆级封装 (WLP)
- 基板层内的嵌入式组件
HDI（高密度互连）板越来越多地将无源组件集成在 IC 下方，进一步推动了 SMT 能力。
在我们的关于 HDI PCB 技术 的文章中了解更多关于下一代趋势的信息。
PTH 利基市场整合
虽然在主流使用中有所下降，但 PTH 在以下领域仍保持强势：
- 高压系统（工业、能源）
- 坚固的通信设备
- 旧基础设施维护
导电环氧树脂等新材料最终可能会补充或取代某些 PTH 应用，但短期内不太可能完全淘汰。
新兴混合技术
创新如：
- 用于 SMT 后的 PTH 的 选择性焊接机器人
- 激光辅助返修台
- 保形涂层集成
正在提高混合板的可靠性和可扩展性。
此外，电子元件采购 和供应链弹性的进步正在帮助制造商快速适应零件短缺——这是疫情后日益受到关注的问题。
为什么选择 SUNTOP Electronics？
在 SUNTOP Electronics，我们专注于提供适合您特定需求的高质量、可靠的 PCB 解决方案。作为值得信赖的 PCB 组装制造商，我们提供端到端服务——从最初的概念和 PCB 设计 支持到全面的生产和测试。
我们的能力包括：
- 配备多头贴片机的先进 SMT 生产线
- 用于 PTH 组件的选择性波峰焊
- 包括 AOI、X 射线和功能测试在内的全面 QA 服务
- 全面的 PCB 质量测试 协议
我们遵守 IPC-A-610 2 级和 3 级标准，确保每一块板都符合严格的性能标准。
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