スルーホールと表面実装の PCB 設計の違い

アル・ライト | 2019年8月30日

プリント基板 (PCB) のレイアウトに関係する最初の決定事項の 1 つは、使用するコンポーネントのタイプとスタイルを選択することです。 この決定は主に PCB の電気的要件によって決まりますが、それらの要件が満たされれば、多くの場合、抵抗、コンデンサ、ダイオードなどの一般的なコンポーネント タイプについて、利用可能なさまざまな構成と設置面積から選択することが可能になります。 選択したコンポーネントの種類は、完成したプリント基板アセンブリ (PCBA) のサイズと外観に影響します。

以前は、長いリード線を備えたコンポーネントは、通常は手作業で PCB のメッキされたスルーホールに挿入されていました。 次に、リード線をはんだ付けして、穴との永久的な相互接続を形成します。 これはスルーホールアセンブリとして知られていました。

14 ピン DIP を備えたスルーホール PCB。 DIP のリード間隔は 0.100 インチ x 0.300 インチで、14 個の穴と関連パッドが付いています。 (画像出典: Epec Engineered Technologies)

設計者は、嵌合穴を必要とせず、リードが PCB 表面にのみ取り付けられるコンポーネントを利用する、より現代的な (ただし、現在では完全に成熟している) アセンブリ方法の使用を好むことが増えています。 この方法は当初「平面実装」として知られていましたが、その後、表面実装技術 (SMT) としてより広く知られるようになりました。

以下は、PCB 設計者の意思決定の参考ガイドとして使用できる、スルーホールと SMT 方式の簡潔な比較です。

スルーホール技術

スルーホール コンポーネントは 2 つのテクノロジーのうち古いものですが、これらを使用する正当な理由はまだあります。 たとえば、はんだごてを使う愛好家であれば、最小限の手間でスルーホール PCB やその小ロットを組み立てることができます。これは、コンポーネントのリード線を受け入れる穴の間隔が SMT タイプの表面パッドよりも離れているためです。 DIP プロセッサの場合でも、穴の中心から穴の中心までの一般的な間隔は 0.100 インチ以上です。このような余裕のある間隔により、スルーホール PCB を手はんだ付けしやすくなります。単一コンポーネントのピン間に誤ってブリッジが形成される可能性はほとんどありません。これにより、ボードが完全に組み立てられ、電源が投入された後のトラブルシューティングと再作業が削減されます。

趣味の用途におけるスルーホール PCB、この場合はギターエフェクトペダルです。 IC に注目してください。これらの IC はすべて、0.100 インチ x 0.300 インチの中心に 8 ピンまたは 14 ピンのいずれかです。 。 (画像出典: Epec Engineered Technologies)

スルーホール ボードは、より専門的な設定、特にプロジェクトのプロトタイプ段階でも役立ちます。 プロトタイプのレイアウトでは一時的にスルーホール コンポーネントを使用できるため、基本的な概念実証評価のために基板を迅速に組み立てることができます。 ボードが正しく機能することが証明された後、設計者は同じ値のより小さい SMT タイプに交換し、最終テストと最終的な生産に向けてより小さい設置面積内で PCB レイアウトを修正できます。 この方法で物事を進めると、プロジェクトの初期費用、特に外部の組立業者への小ロットの下請けに関連する費用を節約できる可能性があります。 小規模なロットでは、外部のサービス プロバイダーから割高な価格設定が要求されることがよくあります。外部のサービス プロバイダーは、必然的にマシンの稼働を維持するために大量生産をセットアップすることを好みます。

スルーホール技術によるコスト削減

スルーホール PCB では、PCB のリビジョンが変更されるたびに新しいはんだステンシルを生成する必要はありません。 これにより、機能すると判断されるまで 2 ～ 3 回のスピンを経る設計にかかる費用を数百ドル節約できます。 また、最終的な PCB 構成が機能し、生産の準備が整うまで、ピックアンドプレース装置をセットアップしたり、SMT コンポーネントの付属リールを購入したりする必要もありません。

コンポーネントの組み立て後の回路内テストは、多くの場合、少数の基板に対して社内で手動で実行できるため、治具や関連するセットアップ費用の費用がかかりません。 スルーホール基板を使用する場合は、錫鉛はんだ（最も安価な表面金属化）を使用することもできます。 熱風はんだレベリング (HASL) に固有の非平面性は、ファインピッチの表面実装コンポーネントの配置を困難にする可能性がありますが、スルーホール設計では問題になりません。

SMT 関連のコスト増加を回避できること以外のもう 1 つの利点は、検証中に機械的問題 (過度の反りやねじれなど) を評価し、SMT で発生する可能性がある克服できない組み立ての問題を引き起こすことなく、再設計中にそれらを補償できることです。 これは、手作業で組み立てられた PCB では、ピックアンドプレース装置を使用して実装された PCB ほど反りやねじれがそれほど重要ではないためです。 人間の組み立て作業者は、手首の角度を変えるだけで頑固なコンポーネントのフィット感を改善できますが、自動機械が適切に機能するには、高度な平坦度の PCB が必要です。 スルーホール プロトタイプでは、PCB 製造業者、契約組立業者、およびお客様自身の間で、コストと時間がかかる「ラインダウン」の三者対立が起こる前に、設計関連の機械的欠陥を明らかにすることができます。

必要なコンポーネント タイプがスルーホール形式で入手できる場合、開発サイクル中にスルーホール テクノロジを使用すると、プロジェクトを順調に進め、サードパーティ サービスに料金を支払うことなくプロトタイプおよび小ロット プロジェクトの組み立てプロセスを簡素化できます。 製品の市場投入までの重要な時間を遅らせる可能性のある副次的な問題が少なくなり、タイムラインがより予測可能かつ制御可能になる可能性があります。 したがって、エンドユーザーが愛好家、新興産業、または確立されたエレクトロニクスサプライヤーであるかどうかにかかわらず、開発および検証の初期段階では、少なくとも一時的にスルーホールコンポーネントを使用することを検討する価値があるかもしれません。

表面実装技術

PCB 上でスルーホール コンポーネントを使用する正当な理由に関係なく、表面実装コンポーネントには、スルーホール タイプでは匹敵しない多くの利点があります。

最もすぐに明らかな利点の 1 つは、はるかに小型で軽量な全体的な PCBA 内にすべてを収めながら、はるかに高いレベルのコンポーネント密度と処理能力を達成できることです。 PCB によって制御されるデバイスがますます小さくなるにつれて、利用可能な表面積を効率的に使用することがますます重要になってきます。 SMT技術は必須になります。

たとえば、単一の表面実装 BGA または 64 ピン QFP プロセッサで利用可能な計算能力を近似するには、それぞれ約 0.80 インチ x 0.35 インチの複数の 14 ピンまたは 16 ピン デュアル インライン プロセッサが必要になります。合計面積が 1 平方インチ以下に収まる可能性があります。 スルーホール タイプのコンポーネントの設置面積が大きくなることに加えて、PCB 上の相互接続にはビア配置のための追加スペースが必要になります。

さらなる小型化: 64 ピン表面実装 QFP プロセッサのサイズはわずか 0.472 インチ x 0.472 インチです。 。 (画像出典: Epec Engineered Technologies)

対照的に、SMT コンポーネントを使用する場合、各スルーホール コンポーネントのリードに必要なメッキされたスルーホールは削除され、比較的小さな表面パッドに置き換えられます。 その後、SMT コンポーネントのリード線の真下にある表面実装パッド自体に小さなビアをドリルで開けることが可能になり、Z 軸相互接続が可能になり、ビアの壁から 1 つ以上の内部信号層に広がることができます。 これらすべての相互接続は、デバイス自体の設置面積内またはそのすぐ隣で行うことができるため、利用可能なスペースが大幅に節約されます。 SMT コンポーネントの周囲のスペースは、追加のコンポーネントの配置に使用できます。 SMT で可能な高密度は、コンポーネント自体の設置面積が小さくなったことと、コンポーネント取り付け穴の穴あけが不要になったことによってスペースが再利用されたことの両方の副産物です。 関連する利点は、SMT ボードではコンポーネントの実装に PCB の両面を利用するのが一般的であることです。

このような利点には、SMT PCB を設計する際に留意しなければならないいくつかの考慮事項が伴います。 材料、表面仕上げ、機械的特性はますます重要になっています。 これらの要素のいずれかに問題があると、自動化装置で PCB を組み立てる際に大きな頭痛の種を引き起こす可能性があります。

表面実装設計の考慮事項

材料と表面仕上げは重要な役割を果たし、ある程度相互作用します。 HASL で使用される有鉛はんだは、パッドの一端に溜まりやすく、そこで非平面状態で冷却されるため、SMT 作業 (特にピンピッチが 0.050 インチ未満のコンポーネント) には適していません。位置決めの問題を避けるために、リード線は平らに設置する必要があるため、RoHS 準拠が問題ではない場合でも、取り扱う際には、無電解ニッケル浸漬金 (ENIG)、浸漬銀、または浸漬錫など、より平坦な仕上げを選択するのが最善です。よりファインピッチのSMDを採用。

64 ピン SMT BGA、0.031 インチ ピッチ。ボール パッドには小さなディンプルがあることに注目してください。これは、ボール パッドが内部層のエスケープ配線を可能にするパッド内ビアの配置に使用されていることを示しています。(画像出典: Epec Engineered Technologies)

ベースラミネートの仕様を過小評価しないことも重要です。 SMT ボードは、主に鉛フリーの表​​面仕上げが最も頻繁に使用されるため、通常、スルーホール ボードよりも高いはんだ付け温度を必要とします。 IPC-4101D/126 (Tg 170C、Td 340C、無機フィラー含有) を満たす材料は、高いはんだ付け温度に耐えます。 また、両面 SMT ボードや複数のコンポーネント技術を使用するボードを組み立てるときに発生する複数の熱サイクル衝撃にも耐えます。

SMT 組み立てプロセスがスムーズに進むように、ガーバー アートワークにはいくつかの追加機能が必要です。 少なくとも 1 セットの基準パッドを外層に追加します (最も一般的には、PCB の外縁に沿って「L」パターンで)。これにより、ピック アンド プレース装置が PCB を正方形にし、寸法を確立するための基準を得ることができます。基準点。 はんだショートの可能性を最小限に抑え、基準を識別しようとするときにピックアンドプレースユニットを混乱させる可能性のある反射を排除するために、ビア用のはんだマスク開口部を排除することを検討してください。 回路内テストの場合、多くの場合、必要な場所にテスト ポイント パッドを追加することをお勧めします。 テスト機器に応じて、これらは SMT タイプである場合もあれば、テスト プローブを受け入れるための穴が含まれている場合もあります。 アセンブラーまたはテスト サービスと協力して、どの型が最適かを判断してください。

寸法精度の重要性と自動組立装置の性質を考慮すると、平坦度を「設計に組み込む」ことが重要です。 これを行うには、層ごとに銅の被覆率をできるだけ均等にし、可能な限り広い空白領域に銅を流し込みます。 これにより、エッチング後に不均一な応力が材料を特定の方向に引っ張るのを防ぎます。

スタックの中心を中心に対称となるスタックアップを使用すると、レイヤーが Z 軸で互いにサポートされます。 たとえば、6 層 PCB は一般に次のように積層されます: 上部信号 L1、プリプレグ、プレーン L2、FR4 コア、内部信号 L3、プリプレグ、内部信号 L4、FR4 コア、プレーン L5、プリプレグ、下部信号 L6。 これは、各層の銅領域がかなりバランスが取れている限り機能し (特に L2-L3 および L4-L5 のコア層ペア上)、層でのインピーダンス制御の基準として利用できるプレーンを配置します。 1+3、4+6。

プロトタイプを作成して歪みやねじれが発生した場合は、IPC の要件を超える歪みやねじれの描画要件を追加して問題を「修正」しようとしないでください。 IPC の反りおよびねじれの仕様は、SMT ではスルーホールの 2 倍厳格であり、これ以上厳しいものを要求すると、ほとんどの製造業者は反発します。 代わりに、問題の潜在的な原因について設計を再検討し、受け取ったときのベア PCB、組み立て中、またはその両方で、問題がいつ発生するかを確実に理解してください。 その後、製造者と協力して、その後の実行で問題を軽減する推奨事項を作成できることがよくあります。

スルーホールかSMTか?

過去数年間では SMT がはるかに一般的な技術となっていますが、妥当な設置面積内で必要な処理能力を提供できる限り、スルーホールでも依然として特定のニーズを満たすことができます。 開発サイクルを開始する前に、両方の PCB タイプを考慮し、それぞれの長所と短所を比較検討することが役立ちます。

特性の比較

スルーホール表面実装

最も一般的な非平面 HASL 仕上げ。

プレーナー仕上げ (ENIG、イマージョンシルバー、OSP.)

部品リード挿入に必要な穴。

コンポーネントは表面パッドに取り付けられ、穴はありません。

珍しい両面組み立てです。

両面組立共通。

コンポーネントのリード間隔は通常 0.100 インチ以上です。

コンポーネントのリード間隔 0.0157 インチ (共通 0.0197 インチ)

手動組み立て。

自動組み立て。

はんだ付けは手動または自動。

はんだ付けは通常自動化されます。

ステンシルは必要ありません。

小ロット、簡易基板以外はステンシルが必要です。

パッド内のビアは使用できません。

パッド内のビアが可能。

標準温度（130℃ Tg）ラミネート。

高温（170℃ Tg）ラミネート。

スルーホールテストポイント。

スルーホールまたは SMT テスト ポイント。

コンポーネントと回路の密度が低くなります。

コンポーネント密度が大幅に増加しました。

PCB の設置面積が大きくなります。

最小限の PCB 設置面積。

やり直しは比較的簡単です。

一部の再作業はより複雑になります。

適度な反りやねじれは許容可能です。

反りやねじれは組み立てにおいてより重要です。

コンポーネントの配置には基準パッドは必要ありません。

自動ピックアンドプレース装置に必要な基準パッド。

Al Wright は、Epec Engineered Technologies の PCB フィールド アプリケーション エンジニアです。

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