我的一整天都是在印刷電路板(PCB)堆中度過的,白天在一家快速組裝PCB的車間工作;晚上,住在看起來像組裝廠的地方。當我寫這些字時,在視力所及,有我自己設計的、已完工的十幾塊PCB,或許更多,我想說的是,我經常被各種經驗水準相差懸殊的人問及:做PCB時,是否仍應使用通孔元件?或應盡可能使用表面黏著技術(SMT)元件?

世事如謎,當我第一次用電烙鐵焊板子時,本地餐館才不再提供「原生湯」(編註:這裡指的是一碗充滿化學原料的濃湯)。在那些日子裡,我們確實有「表面黏著」組裝的PCB版本,但它只涉及使用Fahnestock夾子(一種彈簧式接線夾)、焊接端子(lug)和松木板上的點對點連線。對了,類似麵包板那類的東西。

今天,表面黏著組裝涉及PCB表面上的銅焊盤,元件沒有接腳穿透PCB,機器人每小時可將數萬個這些微小元件貼放在PCB上。

20181105TA31P1 圖1 快速表面黏著組裝機。(來源:Duane Benson)

現在,如果每月需要銷售100萬部手機,那麼每小時貼放48,000個元件可以滿足要求。但對於可能需要1,000塊板子的早期初創公司,或100塊板子的業餘愛好者,或只需一兩塊板子的一次性設計,那又該如何?對這種需求的人來說,是否仍應著眼表面黏著元件?還是應堅持使用那些看起來更容易處理和焊接的可靠通孔元件?

我個人主張盡可能多地使用表面黏著元件,我確實意識到這樣做會讓事情變得複雜,而且某些元件只有通孔封裝。有時表面黏著元件的機械強度不足以承受元件的重量或施加在其上的應力,在這些情況下,我肯定會選擇通孔或通孔/表面黏著混用的方式。

你可能希望使用通孔元件的原因有以下幾個:

˙非常大的元件,如變壓器、繼電器和電容;要麼沒有相應的表面黏著封裝,要麼需要通孔連接器提供額外機械強度。

˙要承受很大機械應力的連接器。

˙如果對查看和處理小型表面黏著元件感到不舒服。

˙就是喜歡通孔封裝。

˙只做幾塊PCB和/或你要使用已有的元件。

除以上幾點外,儘管表面黏著技術尺寸小,有很多理由在PCB設計時選用表面黏著元件。首先,很多新的和最先進的元件根本沒有通孔封裝,如果堅持使用通孔封裝,將把許多最新和功能最多的元件排除在外。

圖2中右側的通孔板是我在商業製造車間製造的第一批PCB之一。左側的表面黏著板具有相同功能,還另有馬達控制器和USB連接,手工焊接這兩塊板上的元件,使用的馬達驅動晶片沒有通孔封裝。

20181105TA31P2 圖2 表面黏著(左)與通孔(右)MCU電路板。(來源:Duane Benson)

在過去幾年,大多數晶片都有各種尺寸可供選擇,從0.1英吋(2.54mm)間距通孔雙列直插式封裝(DIP)到當時最小的通孔封裝。今天競爭如此激烈,加上各種各樣的專用元件,支援這麼多封裝形態的成本正成為一個重要制約因素,許多晶片公司透過生產更實用、更小的封裝來適應這些市場狀況。

Microchip Technology仍在提供各種封裝這一方面值得稱讚,同一晶片從0.1英吋間距的DIP到超小型0.5mm間距的QFN或BGA封裝,應有盡有。但是誰知道這種情況將維持多久?我見過很多新的功率元件—像LiPoly充電器和B類放大器—僅有QFN或BGA封裝,且一些高速元件也是如此。

微小的物聯網(IoT)設備和行動運算的普及是這一趨勢的重要推手。3×3mm的元件可用於微型物聯網設備和大型桌面系統,相比之下,20接腳的通孔元件,甚至不太小的SOIC都只能用於桌面產品,而不能用於物聯網設備,因此,製造商可能決定只生產較小的元件封裝。你可以找到其中一些元件的通孔轉接板(breakout board),但並非全部元件。

表面黏著元件幾乎總是比其通孔版便宜。這是肯定的,所用原材料少得多的元件的成本當然會更低,且該規則適用於許多電子元件,特別是被動元件。在Digi-Key網站上,通孔和表面黏著電阻的價格往往都是0.10美元/顆,但購買100顆時,表面黏著電阻的價格只有通孔的一半。

尺寸大小也影響元件收藏。在圖3中,左邊的卷帶中有略少於500個表面黏著元件,與右側的少量通孔電容相比,兩者所佔的空間顯而易見,PCB大小也是個重要的考慮因素。可以在同一PCB上貼裝更多表面黏著元件,也可以縮小PCB尺寸並節省生產成本。

20181105TA31P3 圖3 表面黏著(左)與通孔(右)元件。(來源:Duane Benson)

如果計畫批量生產,那麼從表面黏著封裝開始是明智之舉。這樣,就不需要在原型和生產之間重新設計PCB,這可以節省大量時間和金錢。

然而,最大的問題是成本。因為需要外包表面黏著PCB的生產組裝,那使用表面黏著不是更花錢嗎?好吧,任何時候有人為你幹活,你都要花錢,但這種權衡並非如此決斷。

大多數人,有一些耐心、有個好的放大鏡(或大倍數閱讀用放大鏡),以及一個可以墊手腕的東西,都可以手工焊接0603或0402封裝的被動元件。有些人甚至想出了如何手工焊接QFN和BGA封裝,但在元件小到一定程度時,沒有專門的設備,手工焊接是不切實際的(儘管可以這樣做)。

如果手頭上是個純愛好的專案,你會堅持用自己能手工焊接的元件、設置一款焊機,或找到一家追求低成本而非高可靠的廠家。當在做的事情開始成為一種事業,那麼時間就是金錢,此時可根據需要,在時間和金錢間權衡取捨。

最重要的是,如果你更喜歡通孔元件,那就盡可使用它們,不需妄自菲薄。只是要清楚,你可能無法使用某些最新且功能最強大的元件,因此我個人建議盡可能使用表面黏著元件。

(參考原文: How to Build a PCB: Through-Hole or Surface-Mount?,by Duane Benson)