Технология сквозного отверстия — Through-hole technology
Технология сквозного отверстия (также обозначаемая как « сквозное отверстие ») относится к схеме монтажа, используемой для электронных компонентов, которая включает использование выводов на компонентах, которые вставляются в отверстия, просверленные в печатных платах (PCB) и припаяны к контактным площадкам на с противоположной стороны либо вручную (вручную), либо с помощью автоматических установочных машин .
СОДЕРЖАНИЕ
История
Технология сквозных отверстий почти полностью заменила более ранние методы сборки электроники, такие как конструкция « точка-точка» . Начиная со второго поколения компьютеров в 1950-х годах и до тех пор, пока технология поверхностного монтажа (SMT) не стала популярной в середине 1980-х, каждый компонент на типичной печатной плате был компонентом со сквозным отверстием. Печатные платы изначально имели дорожки, напечатанные только на одной стороне, позже — на обеих сторонах, затем использовались многослойные платы. Сквозные отверстия стали плакированными сквозными отверстиями (PTH), чтобы компоненты контактировали с необходимыми проводящими слоями. Металлизированные отверстия больше не требуются для плат SMT для соединения компонентов, но они по-прежнему используются для соединения между слоями и в этой роли обычно называются переходными отверстиями .
Ведет
Осевые и радиальные выводы
Компоненты с проволочными выводами обычно используются на платах со сквозными отверстиями. Осевые выводы выходят из каждого конца обычно цилиндрического или удлиненного коробчатого компонента на геометрической оси симметрии . Компоненты с осевыми выводами по форме напоминают проволочные перемычки и могут использоваться для перекрытия коротких расстояний на плате или даже без поддержки через открытое пространство в двухточечной проводке . Осевые компоненты не сильно выступают над поверхностью платы, создавая низкопрофильную или плоскую конфигурацию при размещении «лежа» или параллельно плате.
Радиальные выводы выступают более или менее параллельно с одной и той же поверхности или аспекта пакета компонентов, а не с противоположных концов пакета. Первоначально радиальные выводы определялись как более или менее следующие за радиусом цилиндрического компонента (например, керамического дискового конденсатора ). Со временем это определение было обобщено в отличие от аксиальных отведений и приняло его нынешнюю форму. При размещении на плате радиальные компоненты «встают» перпендикулярно, занимая меньшую площадь на иногда скудной «плате», что делает их полезными во многих конструкциях с высокой плотностью. Параллельные выводы, выступающие из единой монтажной поверхности, придают радиальным компонентам общую «сменную природу», облегчая их использование в высокоскоростных машинах для автоматической вставки компонентов («набивки плат»).
При необходимости осевой компонент можно эффективно преобразовать в радиальный, согнув один из его выводов в U-образной форме так, чтобы он заканчивался рядом с другим выводом и параллельно ему. Дополнительная изоляция с помощью термоусадочной трубки может использоваться для предотвращения короткого замыкания на близлежащих компонентах. И наоборот, радиальный компонент может быть задействован в качестве осевого компонента путем разделения его выводов на максимально возможное расстояние и удлинения их до общей формы, охватывающей длину. Эти импровизации часто используются при создании макетов или прототипов , но не рекомендуются для проектов массового производства . Это связано с трудностями при использовании оборудования для автоматической установки компонентов и меньшей надежностью из-за пониженной стойкости к вибрации и механическим ударам в готовой сборке.
Устройства с несколькими отведениями
Для электронных компонентов с двумя или более выводами, например диодов, транзисторов, интегральных схем или блоков резисторов, используется ряд полупроводниковых корпусов стандартных размеров либо непосредственно на печатной плате, либо через разъем.
Характеристики
Хотя монтаж в сквозное отверстие обеспечивает прочное механическое соединение по сравнению с методами поверхностного монтажа, требуется дополнительное сверление, что делает производство плат более дорогостоящим. Они также ограничивают доступную область трассировки для дорожек сигналов на слоях непосредственно под верхним слоем на многослойных платах, поскольку отверстия должны проходить через все слои на противоположную сторону. С этой целью методы монтажа в сквозные отверстия в настоящее время обычно зарезервированы для более громоздких или тяжелых компонентов, таких как электролитические конденсаторы или полупроводники в более крупных корпусах, таких как TO-220, которые требуют дополнительной монтажной прочности, или для таких компонентов, как штекерные соединители или электромеханические реле. которые требуют большой силы для поддержки.
При создании прототипа инженеры-конструкторы часто предпочитают большие сквозные отверстия, а не детали для поверхностного монтажа, поскольку их можно легко использовать с разъемами для макетных плат . Однако высокоскоростные или высокочастотные конструкции могут потребовать технологии SMT для минимизации паразитной индуктивности и емкости в выводах проводов, которые могут ухудшить работу схемы. Сверхкомпактная конструкция может также определять конструкцию SMT даже на этапе проектирования прототипа.
Компоненты со сквозным отверстием идеально подходят для создания прототипов схем на макетных платах с использованием микропроцессоров, таких как Arduino или PICAXE . Эти компоненты достаточно большие, чтобы их было легко использовать и паять вручную.
Радиальные электролитические конденсаторы Epcos
Немецкий бренд Epcos — один из наиболее известных производителей пассивной электроники, в 2008 г. поглощённый TDK. Несмотря на это, торговая марка Epcos, как и весь модельный ряд компонентов, сохранились и по сей день. Действительно, зачем уничтожать бренд, который всего за десять лет своего существования сумел войти в число мировых лидеров на рынках конденсаторов и индуктивностей? Такой успех стал возможным благодаря отличному фундаменту, на котором была построена компания: Epcos AG была создана как совместное предприятие Siemens и Matsushita, более известной сейчас под именем Panasonic.
Промэлектроника — официальный дистрибьютор продукции Epcos, поэтому мы можем предложить клиентам низкие цены на продукцию этой компании. Так, на ряд моделей радиальных электролитических конденсаторов Epcos в данный момент действует спецпредложение по цене.
Электролитические конденсаторы, как известно, обладают наибольшей ёмкостью на единицу объёма при относительно низкой себестоимости и хорошей точности — типовой допуск по ёмкости составляет до ±20% от номинала. Алюминиевые электролитические конденсаторы и сейчас остаются самыми распространёнными, даже несмотря на ряд недостатков: высокое реактивное сопротивление (ESR), высокий саморазогрев на пульсирующем токе и невозможность применения в высокочастотных цепях, большие габариты в сравнении с керамическими конденсаторами, наличие полярности. Тем не менее, высокая удельная ёмкость, низкая стоимость и хорошая температурная стабильность во многих случаях перекрывают эти минусы.
Одним из наиболее популярных форм-факторов электролитических конденсаторов является радиальный — выводы располагаются с одной стороны компонента. Все конденсаторы Epcos этого типа имеют специальные насечки на корпусе, своего рода «вышибные панели», минимизирующие вред при критическом перегреве. Тем не менее, это остаётся мерой для самого крайнего случая. Обычно же они живут долгие годы.
Список позиций, на которые распространяется спецпредложение, приведён ниже. Прочие электролитические радиальные конденсаторы Epcos вы можете просмотреть по ссылке.
Разновидности конденсаторов по типу диэлектрика
В радиоэлектронике используются огромное количество всевозможных конденсаторов. Все они различаются по таким основным параметрам как номинальная ёмкость, рабочее напряжение и допуск.
Но это лишь основные параметры. Ещё одним немаловажным параметрам может служить то, из какого диэлектрика состоит конденсатор. Рассмотрим более подробно, какие бывают конденсаторы по типу диэлектрика.
В радиоэлектронике применяются полярные и неполярные конденсаторы. Отличие полярных конденсаторов от неполярных заключается в том, что полярные включаются в электронную схему в строгом соответствии с указанной полярностью. К полярным конденсаторам относятся так называемые электролитические конденсаторы. Наиболее распространены радиальные алюминиевые электролитические конденсаторы. В отечественной маркировке они имеют обозначение К50-35.
Радиальный электролитический конденсатор
У аксиальных конденсаторов проволочные выводы размещены по бокам цилиндрического корпуса, в отличие от радиальных конденсаторов, выводы которых размещаются с одной стороны цилиндрического корпуса. Аксиальными электролитами являются конденсаторы с маркировкой К50-29 К50-12, К50-15 и К50-24.
Аксиальные электролитические конденсаторы серии К50-29 и импортный фирмы PHILIPS
В обиходе радиолюбители называют электролитические конденсаторы "электролитами".
Обнаружить их можно в блоках питания радиоэлектронной аппаратуры. В основном они служат для фильтрации и сглаживания выпрямленного напряжения. Также электролитические конденсаторы активно применяются в усилителях звуковой частоты (усилках) для разделения постоянной и переменной составляющей тока.
Электролитические конденсаторы обладают довольно значительной ёмкостью. В основном, значения номинальной ёмкости простираются от 0,1 микрофарады (0,1 мкФ) до 100.000 микрофарад (100000 мкФ).
Номинальное рабочее напряжение электролитических конденсаторов может быть в диапазоне от 10 вольт до нескольких сотен вольт (100 – 500 вольт). Конечно, не исключено, что есть и другие образцы, с другой ёмкостью и рабочим напряжением, но на практике встречаются они довольно редко.
Стоит отметить, что номинальная ёмкость электролитических конденсаторов уменьшается по мере роста срока их эксплуатации.
Поэтому, для сборки самодельных электронных устройств, стоит применять либо новые купленные, либо те конденсаторы, которые эксплуатировались в электроаппаратуре небольшой срок. В противном случае, можно столкнуться с ситуацией неработоспособности самодельного устройства по причине неисправности электролитического конденсатора. Наиболее распространённый дефект “старых” электролитов – потеря ёмкости и повышенная утечка.
Перед повторным применением стоит тщательно проверить конденсатор, ранее бывший в употреблении.
Опытные радиомеханики могут многое рассказать про качество электролитических конденсаторов. В пору широкого распространения советских цветных телевизоров в ходу была очень распространённая неисправность телевизоров по причине некачественных электролитов. Порой доходило до того, что телемастер заменял практически все электролитические конденсаторы в схеме телевизора, после чего аппарат исправно работал долгие годы.
В последнее время всё большее распространение получают компактные электролитические конденсаторы для поверхностного монтажа. Их габариты значительно меньше, чем классических выводных.
Конденсаторы электролитические алюминиевые для SMD монтажа на плате CD — привода
Также существуют миниатюрные танталовые конденсаторы. Они имеют довольно малые размеры и предназначены для SMD монтажа. Обнаружить их легко на печатных платах миниатюрных МР3 плееров, мобильных телефонов, материнских платах ноутбуков и компьютеров.
Танталовые электролитические конденсаторы на печатной плате MP-3 плеера
Несмотря на свои маленькие размеры, танталовые конденсаторы имеют значительную ёмкость. Они аналогичны алюминиевым электролитическим конденсаторам для поверхностного монтажа, но имеют значительно меньшие размеры.
Танталовый SMD конденсатор ёмкостью 47 мкФ и рабочее напряжение 6 вольт.
Печатная плата компьютерного CD-привода
В основном в компактной аппаратуре встречаются танталовые конденсаторы на 6,3 мкФ, 10 мкФ, 22 мкФ, 47 мкФ, 100 мкФ, 470 мкФ и на рабочее напряжение 10 — 16 вольт. Столь небольшое рабочее напряжение связано с тем, что напряжение источника питания в малогабаритной электронике редко превышает порог в 5 – 10 вольт. Конечно, есть и более высоковольтные экземпляры.
Кроме танталовых конденсаторов в миниатюрной электронике используются и полимерные для поверхностного монтажа. Такие конденсаторы изготавливаются с применением твёрдого полимера. Он выполняет роль отрицательной обкладки – катода. Плюсовым выводом – анодом – в полимерном конденсаторе служит алюминиевая фольга. Такие конденсаторы хорошо подавляют электрические шумы и пульсации, обладают высокой температурной стабильностью.
На танталовых конденсаторах указывается полярность, которую необходимо учитывать при их использовании в самодельных конструкциях.
Кроме танталовых конденсаторов в SMD корпусах есть и выводные с танталовым диэлектриком. Их форма напоминает каплю. Отрицательный вывод маркируется полосой на корпусе.
Такие конденсаторы также обладают всеми преимуществами, что и танталовые для поверхностного монтажа, а именно низким током утечки, высокой температурной и частотной стабильностью, более высоким сроком эксплуатации по сравнению с обычными конденсаторами. Активно применяются в телекоммуникационном оборудовании и компьютерной технике.
Выводной танталовый конденсатор ёмкостью 10 микрофарад и рабочее напряжение 16 вольт
Среди электролитических конденсаторов есть и неполярные. Выглядят они, так же как и обычные электролитические конденсаторы, но для них не важна полярность приложенного напряжения. Они применяются в схемах с переменным или пульсирующим током, где использование полярных конденсаторов невозможно. К неполярным относятся конденсаторы с маркировкой К50-6. Отличить полярный конденсатор от неполярного можно, например, по отсутствию маркировки полярности на его корпусе.
Компоненты
ЭК, используемые в технологии монтажа в отверстия, по типу корпуса можно разбить на следующие основные группы (примеры корпусов приведены на рис. 9):
а) ЭК с осевыми (часто встречается обозначение axial, аксиальными) выводами;
б) ЭК с радиальными выводами (radial);
в) SIL, SIP (Single In-Line Package) — многовыводной корпус с однорядным распо ложением выводов;
г) DIP (Dual In-Line Package) — корпус с двухрядным расположением выводов;
д) разъемы, слоты;&
е) панели для ИС, в том числе DIP; ZIF (Zero Insertion Force, панели с нулевым усилием вставки для штырьковых ИС); PGA (Pin Grid Array, панели для штырьковых ИС с матрицей выводов);
ж) различные компоненты сложной формы.
Рис. 9 — Примеры THT-компонентов: а) с осевыми выводами; б) с радиальными выводами; в) в корпусах SIL; г) в корпусах DIP; д) разъемы; е) панели для ИС; ж) ЭК сложной формы
Такое разделение компонентов, прежде всего, связано с особенностями технологии их монтажа. Так, например, осевые и радиальные выводы компонентов требуют формовки и обрезки, тогда как большинство других компонентов в этом не нуждаются. При формовке выводов, и как следствие, последующей установке компонентов с осевыми выводами они имеют дополнительную степень свободы (вращение вокруг оси), поэтому их маркируют цветными кольцами (см. рис. 9а), исключающими установку «маркировкой вниз».
Также есть различия в механизмах захвата, базирования и фиксации разных групп компонентов, поэтому часто компоненты в разных корпусах устанавливаются каждый на своем оборудовании.
Типичная последовательность операций
Технологический процесс сборки ПП на основе THT-технологии состоит из следующих типовых этапов:
подготовка выводов ЭК (формовка, обрезка), часто совмещается с автоматизированным монтажом;
установка компонентов (ручная, автоматическая);
пайка (волной припоя, ручная, селективная);
отмывка (ультразвуковая, струйная).
На некоторых предприятиях сохранилась технология, при которой из-за проблем с покрытиями выводов и хранением компонентов подготовка выводов включала в себя предварительное лужение, однако современная технология этого не предусматривает благодаря качественной упаковке и покрытию выводов современных компонентов. Ниже рассмотрены данные операции в порядке выполнения.
Подготовка выводов ЭК
Выводы ЭК перед монтажом должны быть специальным образом подготовлены. Цель подготовки:
выравнивание (рихтовка) выводов (если требуется);
обеспечение необходимого монтажного расстояния между выводами;
зазора между ПП и компонентом (если требуется);
фиксации ЭК на ПП при ручном монтаже либо до поступления платы в установку пайки.
Зазор обычно обеспечивается приданием выводам ЭК соответствующего изгиба — т.н. «опорного зимга» (рис. 2а); самофиксация ЭК на ПП перед групповой пайкой — особым изгибом части вывода, входящей в отверстие ПП — замкам (рис. 2б). Одновременное выполнение зига и замка носит название «зиг-замомк».
Также возможно крепление ЭК следующими методами:
обеспечением пружинения выводов;
посадкой на клей (клей полимеризуется при комнатной температуре, при этом для стеклянных корпусов может понадобиться надевание трубки на часть корпуса, контактирующую с адгезивом; также необходимо обеспечить достаточное количество клеевых точек для крепления тяжелых ЭК);
подпайкой выводов (применяется при ручном монтаже — например, подпайка двух диагонально расположенных выводов разъема);
подгибкой (полной либо частичной — на угол от 0 до 45° от плоскости ПП и только для выводов диаметром менее 0,7 мм (более — в технически обоснованных случаях); необходимо обеспечить минимально допустимое расстояние от загнутого вывода до соседних КП/выводов/проводников; следует осуществлять подгибку вдоль печатного проводника, если в конструкторской документации нет других указаний);
с использованием различных держателей (хомутов, металлических скоб, клипс, зажимов).
Тяжелые элементы (например, трансформаторы) или элементы, подверженные механическим воздействиям (тумблеры, потенциометры, подстроечные конденсаторы), устанавливаются с помощью особых держателей. Такие держатели обеспечивают надежное механическое крепление соответствующих элементов к ПП и предотвращают обрыв и поломку выводов под воздействием механических нагрузок.
Рис. 10 — Обеспечение с помощью формовки выводов ЭК: а) зазора между ПП и компонентом (опорный зиг); (б) самофиксации ЭК на ПП (замомк)
Формовку круглых или ленточных выводов элементов производят с помощью ручного монтажного инструмента либо специальных полуавтоматических устройств таким образом, чтобы исключались механические нагрузки на места крепления выводов к корпусу. При формовке выводов не допускается их механическое повреждение, нарушение защитного покрытия, изгиб в местах соединения вывода и корпуса, скручивание относительно оси корпусов, растрескивание стеклянных изоляторов и пластмассовых корпусов.
Основные ограничения (рис. 11) накладываются на размер от корпуса ЭК до оси изогнутого вывода (L) и внутренний радиус изгиба выводов (R). Минимальный размер L в зависимости от типа ЭК находится в пределах 0,75 — 4 мм (но не менее 2·D выводов); размер R зависит от диаметра вывода и составляет минимум 0,5 — 1,5 мм (но не менее (1-2)·D выводов). Также на выводах не должно быть деформаций и утонений, превышающих 10% от диаметра, ширины либо толщины вывода.
Рис. 11 — Основные параметры формовки
Несоблюдение данных рекомендаций может привести к образованию избыточных напряжений в месте крепления вывода к корпусу ЭК и в области изгиба вывода и, как следствие, появлению в этих местах трещин и, возможно, обрывов, в особенности при механических воздействиях на собранный узел. Не допускается изгибать жесткие выводы (лепестки) транзисторов и диодов средней и большой мощности, так как это может привести к растрескиванию их стеклянных изоляторов и нарушению герметичности корпусов.
Расстояние от корпуса до места пайки должно быть не менее 2,5 мм, если не приняты меры к дополнительному теплоотводу в процессе пайки.
Не осуществляют формовку, подгибку и обрезку при установке многовыводных ЭК (ИС в DIP-корпусе и пр.). Для них может проводиться исключительно рихтовка (выравнивание) выводов, если в этом есть необходимость.
Устройства формовки выпускаются с механическим и электрическим приводом подачи ЭК, а также механическим либо пневматическим — самого устройства формовки. Загрузка компонентов производится из лент, трубчатых кассет, россыпи. Геометрические параметры формовки регулируются; установки оснащаются сменными формовочными матрицами. Специальная конструкция матриц формовочных устройств обеспечивают отсутствие избыточных напряжений и зазубрин на материале в месте изгиба вывода. Примеры отформованных выводов различных THT-компонентов приведены на рис. 12.
Рис. 12 — Примеры формовки выводов ЭК с осевыми (а) и радиальными (б) выводами
Производительность формовочного оборудования в автоматическом режиме при загрузке из лент, как правило, составляет до 40000 ЭК/час для ЭК с осевыми выводами и 20000 ЭК/час — с радиальными; при загрузке ЭК из россыпи — 7000 и 3000 ЭК/час соответственно. При ручной подаче ЭК типовая производительность — около 1500-3000 ЭК/час.
Существуют автоматические счетчики выводных компонентов, вклеенных в ленту (до 100 ЭК/с).