O que é SMT: Tecnologia de Montagem em Superfície e Dispositivos SMT
Tecnologia de montagem em superfície, SMT e seus dispositivos de montagem em superfície associados, SMDs aceleram consideravelmente a montagem de PCB, pois os componentes simplesmente são montados na placa.
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Nosso tutorial sobre Tecnologia de Montagem em Superfície, SMT, inclui:
O que é SMT | Pacotes SMD | Pacote quad flat, QFP | Matriz de esfera, BGA | Plastic Leaded Chip Carrier, PLCC
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Olhe dentro de qualquer equipamento eletrônico feito comercialmente hoje em dia e verá que ele está repleto de dispositivos minúsculos. Em vez de usar componentes tradicionais com fios condutores como aqueles que podem ser usados para construção de casas e kits, esses componentes são montados na superfície das placas e muitos são minúsculos em tamanho.
Esta tecnologia é conhecida como Surface Mount Technology, SMT e componentes SMT. Praticamente todos os equipamentos hoje fabricados comercialmente utilizam a tecnologia de montagem em superfície, SMT, porque oferece vantagens significativas durante a fabricação de PCB e, em vista do tamanho, o uso de componentes SMT permite que muito mais eletrônicos sejam embalados em um espaço muito menor.
Além do tamanho, a tecnologia de montagem em superfície permite o uso de montagem e soldagem automatizada de PCB, o que traz melhorias significativas na confiabilidade, bem como uma enorme economia de custos.
O que realmente é a tecnologia de montagem em superfície?
Durante as décadas de 1970 e 1980, o nível de automação começou a aumentar para montagem de PCB para placas usadas em diversos equipamentos. O uso de componentes tradicionais com cabos não se mostrou fácil para a montagem do PCB. Resistores e capacitores precisavam ter seus condutores pré-formados para que passassem pelos orifícios, e mesmo os circuitos integrados precisavam ter seus condutores ajustados exatamente no passo certo para que pudessem ser colocados facilmente nos orifícios.
Essa abordagem sempre se mostrou difícil, pois os cabos muitas vezes falhavam nos orifícios, pois as tolerâncias necessárias para garantir que eles se encaixassem exatamente nos orifícios eram muito apertadas. Como resultado, a intervenção do operador era frequentemente necessária para resolver os problemas de componentes que não se encaixavam corretamente e paravam as máquinas. Isso desacelerou o processo de montagem do PCB e aumentou consideravelmente os custos.
Para a montagem do PCB, na verdade, não há necessidade de os condutores dos componentes passarem pela placa. Em vez disso, é bastante adequado que os componentes sejam soldados diretamente na placa. Como resultado, a tecnologia de montagem em superfície, SMT, nasceu, e o uso de componentes SMT aumentou muito rapidamente à medida que suas vantagens foram vistas e percebidas.
Hoje, a tecnologia de montagem em superfície é a principal tecnologia usada para montagem de PCB na fabricação de eletrônicos. Os componentes SMT podem ser feitos muito pequenos e muitos tipos são usados aos bilhões, particularmente capacitores SMT e resistores SMT.
dispositivos SMT
Os componentes de montagem em superfície são diferentes de suas contrapartes com chumbo. Em vez de serem projetados para cabear entre dois pontos, os componentes SMT são projetados para serem colocados em uma placa e soldados a ela.
Seus cabos não passam por buracos na placa, como seria de se esperar de um componente tradicional com chumbo. Existem diferentes estilos de embalagem para diferentes tipos de componentes. Em geral, os estilos de pacote podem ser enquadrados em três categorias: componentes passivos, transistores e diodos e circuitos integrados e essas três categorias de componentes SMT são vistas abaixo.
- SMDs passivos: Existe uma grande variedade de pacotes diferentes usados para SMDs passivos. No entanto, a maioria dos SMDs passivos são resistores SMT ou capacitores SMT para os quais os tamanhos dos pacotes são razoavelmente bem padronizados. Outros componentes, incluindo bobinas, cristais e outros, tendem a ter requisitos mais individuais e, portanto, seus próprios pacotes.
Resistores e capacitores têm uma variedade de tamanhos de pacotes. Eles têm designações que incluem: 1812, 1206, 0805, 0603, 0402 e 0201. Os números referem-se às dimensões em centenas de polegadas. Em outras palavras, o 1206 mede 12 x 6 centésimos de polegada. Os tamanhos maiores, como 1812 e 1206, foram alguns dos primeiros a serem usados. Eles não estão em uso generalizado agora, pois geralmente são necessários componentes muito menores. No entanto, eles podem ser usados em aplicações em que são necessários níveis de potência maiores ou onde outras considerações exigem um tamanho maior.
As conexões com a placa de circuito impresso são feitas através de áreas metalizadas em cada extremidade da embalagem. - Transistores e diodos: os transistores SMT e os diodos SMT geralmente estão contidos em um pequeno pacote de plástico. As conexões são feitas através de condutores que saem da embalagem e são dobrados de forma que encostem na placa. Três derivações são sempre usadas para esses pacotes. Desta forma, é fácil identificar qual caminho o dispositivo deve percorrer.
- Circuitos integrados: Existe uma variedade de pacotes que são usados para circuitos integrados. O pacote usado depende do nível de interconectividade necessário. Muitos chips, como os chips lógicos simples, podem exigir apenas 14 ou 16 pinos, enquanto outros, como os processadores VLSI e chips associados, podem exigir até 200 ou mais. Tendo em vista a ampla variação de requisitos, há vários pacotes diferentes disponíveis.
Para os chips menores, pacotes como o SOIC (Small Outline Integrated Circuit) podem ser usados. Estes são efetivamente a versão SMT dos conhecidos pacotes DIL (Dual In Line) usados para os conhecidos chips lógicos da série 74. Além disso, existem versões menores, incluindo TSOP (Thin Small Outline Package) e SSOP (Shrink Small Outline Package).
Os chips VLSI requerem uma abordagem diferente. Normalmente, uma embalagem conhecida como embalagem plana quádrupla é usada. Isso tem uma pegada quadrada ou retangular e tem pinos que emanam em todos os quatro lados. Os pinos são novamente dobrados para fora do pacote no que é chamado de formação de asa de gaivota para que eles encontrem a placa. O espaçamento dos pinos depende do número de pinos necessários. Para alguns chips, pode chegar a 20 milésimos de polegada. É necessário muito cuidado ao embalar esses chips e manuseá-los, pois os pinos são dobrados com muita facilidade.
Outros pacotes também estão disponíveis. Um conhecido como BGA (Ball Grid Array) é usado em muitas aplicações. Ao invés de ter as conexões na lateral da embalagem, elas ficam embaixo. Os pads de conexão possuem esferas de solda que derretem durante o processo de soldagem, fazendo assim uma boa conexão com a placa e fixando-a mecanicamente. Como toda a parte de baixo da embalagem pode ser utilizada, o passo das conexões é mais largo e é considerado muito mais confiável.
Uma versão menor do BGA, conhecida como microBGA, também está sendo usada para alguns ICs. Como o nome sugere, é uma versão menor do BGA.
Leia mais sobre . . . . pacotes para componentes de montagem em superfície.
Com o nível de adoção da tecnologia de montagem em superfície, há uma grande variedade de componentes disponíveis. A seleção de componentes disponíveis em pacotes de montagem em superfície excede em muito o número disponível em formas de chumbo tradicionais. Isso é puramente por causa da demanda.
No entanto, os componentes básicos populares, como transistores e muitos ICs lógicos e analógicos, como amplificadores operacionais, normalmente têm versões disponíveis como um componente tradicional com chumbo e também como um componente de montagem em superfície. Um transistor BC109, por exemplo, pode ser obtido em ambos os formatos, assim como muitos amplificadores operacionais e chips lógicos básicos.
Tecnologia de Montagem em Superfície em Design
A principal razão para a mudança para a tecnologia de montagem em superfície foi a grande melhoria em termos de velocidade, confiabilidade e custo para o processo de montagem de PCB. Embora este seja o maior impacto para a adoção da tecnologia, também impacta o projeto e desenvolvimento de novos circuitos e equipamentos eletrônicos. Felizmente esta transferência traz mais vantagens para o desenvolvimento e desempenho do circuito do que desvantagens.
Para o engenheiro de desenvolvimento, o uso da tecnologia de montagem em superfície oferece muitas vantagens, embora haja alguns pontos a serem observados:
- Baixa capacitância e indutância espúria: Em vista do pequeno tamanho dos componentes, os níveis de indutância e capacitância espúria são muito menores – os resistores SMT funcionam de maneira mais próxima do resistor perfeito do que de um resistor com chumbo. Da mesma forma, um capacitor SMT exibirá uma indutância parasita muito menor. Como resultado, velocidades mais rápidas e frequências mais altas são possíveis com componentes SMT padrão do que seriam possíveis com equivalentes com chumbo.
- Classificações de potência mais baixas: A classificação de potência dos componentes de montagem em superfície é de grande importância. O resistor de montagem em superfície é o exemplo particular. Um resistor com chumbo padrão pode dissipar pelo menos 0,25 watts. Para resistores de montagem em superfície, muito menores, a dissipação também é menor. Esteja ciente disso e verifique os dados dos fabricantes.
- Circuitos menores / mais densos: Como a busca por mais funcionalidade em volumes cada vez menores é uma tendência comum na indústria eletrônica, a tecnologia de montagem em superfície ajuda de maneira importante ao permitir a miniaturização. Os componentes podem ser muito menores e, adicionalmente, podem ser montados na placa de circuito impresso muito mais próximos uns dos outros do que seria possível com os componentes tradicionais com chumbo. Combinado com o maior nível de funcionalidade agora obtido em circuitos integrados, isso significa que a tarefa do engenheiro de desenvolvimento é possível.
Embora existam algumas precauções adicionais a serem observadas ao usar a tecnologia de montagem em superfície em um novo design, a maioria dos elementos do design permanece praticamente a mesma, embora os designs tendam a ser muito mais complicados e forneçam muito mais funcionalidade. Desta forma, a introdução e uso da tecnologia de montagem em superfície facilitou o desenvolvimento da eletrônica, permitindo níveis muito maiores de complexidade e fornecendo mais capacidade.
Montagem de PCB usando tecnologia de montagem em superfície
Atualmente, o SMT é usado quase exclusivamente para a montagem e fabricação de PCB. É possível embalar muito mais eletrônicos em um espaço menor usando o SMT. Os componentes de montagem em superfície são menores e geralmente oferecem um melhor nível de desempenho e podem ser usados com a máquina pick and place automatizada que, em muitos casos, elimina totalmente a necessidade de intervenção manual no processo de montagem.
Os componentes com fio sempre foram difíceis de colocar automaticamente porque os fios precisavam ser pré-formados para caber no espaçamento do orifício relevante e, mesmo assim, eles estavam propensos a problemas de colocação.
Hoje, no processo de montagem de placas de circuito impresso, a maioria dos componentes de uma placa são colocados automaticamente. Ocasionalmente, alguns podem precisar de intervenção manual, mas isso está sendo reduzido o tempo todo. Tradicionalmente, alguns conectores e possivelmente alguns outros componentes exigiam colocação assistida, mas o nível de colocação manual está caindo o tempo todo. Hoje, as placas de circuito impresso são normalmente desenvolvidas para reduzir isso a um mínimo absoluto, a ponto de alterar o design para usar componentes que podem ser colocados automaticamente. Além disso, os fabricantes de componentes desenvolveram algumas versões especializadas de montagem em superfície de componentes que permitem a montagem automatizada virtualmente completa para a maioria das placas.
Um dos problemas com alguns componentes tem sido sua resiliência ao calor. Os processos de soldagem exigem que todo o componente seja elevado a uma temperatura alta, e isso tem causado problemas com algumas tecnologias. Circuitos integrados, resistores de montagem em superfície e muitos tipos de capacitores de montagem em superfície são bons.
No entanto, foi por esse motivo que os capacitores eletrolíticos de montagem em superfície não foram usados inicialmente. Em vez disso, foram usados tântalos de montagem em superfície, mas agora, foram desenvolvidas versões de capacitores eletrolíticos de montagem em superfície que são capazes de tolerar as temperaturas experimentadas durante a soldagem.
Existem outros componentes que exigiram desenvolvimento especial para permitir que sejam disponibilizados em formatos de componentes de montagem em superfície.
Expansão e Flexão da placa
Um dos problemas que podem ocorrer com placas de montagem em superfície surgem como resultado de mudanças de temperatura e também flexão da placa. Com placas que usam componentes com chumbo, isso não é um grande problema porque os fios dos componentes absorvem o movimento e aliviam qualquer tensão que possa ser causada.
O mesmo pode não ser verdade para componentes de montagem em superfície. Os componentes são soldados à placa de circuito impresso e mantidos rigidamente no lugar. Componentes como transistores de montagem em superfície e circuitos integrados de montagem em superfície onde há condutores do corpo do dispositivo para a superfície da placa têm alguns meios para acomodar o movimento, mas resistores e capacitores de montagem em superfície não.
Os componentes mais sensíveis à tensão na placa são os capacitores de montagem em superfície – a variedade MLCC de cerâmica. Eles tendem a rachar quando colocados sob tensão de tração. Isso obviamente é uma questão importante para a confiabilidade.
Existem várias precauções que podem ser tomadas no projeto e na montagem do PCB para garantir que os problemas de empenamento e expansão de temperatura, etc., sejam minimizados:
- Certifique-se de que a energia da PCB e os planos de aterramento sejam distribuídos uniformemente: Quando as placas de circuito impresso passam pelo processo de soldagem durante a montagem da PCB, as placas serão aquecidas significativamente e isso pode levar ao empenamento – os níveis podem ser significativos em algumas placas grandes. Para ajudar a aliviar esse problema, os planos terrestres e os planos de energia devem cobrir o tabuleiro inteiro o máximo possível. Se eles estiverem presentes apenas em parte da placa de circuito impresso, isso pode causar empenamento.
- Formato dos componentes: Os componentes de montagem em superfície com corpos curtos e largos são preferíveis aos longos e finos. Se o componente for curto e largo, os efeitos de expansão e flexão serão menos pronunciados.
- Monte os componentes em ângulo reto na direção da flexão máxima: as placas tendem a se deformar ao longo do comprimento mais longo da placa. Monte os componentes em um plano que ficará exposto à flexão ou dobra mínima.
Aplicações SMT
Embora seja possível usar alguns componentes SMT para construção em casa, é necessário ter muito cuidado ao soldá-los. Além disso, até mesmo os CIs com espaçamento largo entre os pinos podem ser difíceis de soldar.
Aqueles com cinquenta ou mais pinos não podem ser soldados sem equipamento especial. Eles são destinados apenas para fabricação em grande escala. Mesmo ao trabalhar em placas que já foram construídas, é necessário ter muito cuidado. No entanto, esses componentes SMT oferecem grandes economias de custo para os fabricantes, e é por isso que eles foram adotados. Felizmente, para o construtor doméstico, os componentes tradicionais com terminais que podem ser soldados manualmente ainda estão amplamente disponíveis e oferecem uma solução muito melhor para a construção em casa.
No entanto, os componentes SMT podem ser usados para alguns projetos domésticos onde são aplicáveis, desde que os terminais e conexões dos componentes SMT não sejam muito pequenos para serem manuseados com ferros de solda e outras ferramentas tradicionais.
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