Durchkontaktierung vs. Oberflächenmontage: Ein ausführlicher Vergleich der Technologie zur Montage von Leiterplattenkomponenten

Durchgangsloch Montage ist seit langem der Standard in der Elektronikmontage. Dabei werden Bauteilleitungen durch Löcher in der Leiterplatte eingeführt und auf der gegenüberliegenden Seite verlötet. Diese Methode bietet robuste mechanische Verbindungen und hohe Belastbarkeit. Andererseits hat die Oberflächenmontagetechnologie aufgrund ihrer Fähigkeit, kleinere Komponenten unterzubringen und eine höhere Komponentendichte zu erreichen, enorm an Popularität gewonnen. Beim SMT werden Komponenten mithilfe von Lotpaste und Reflow-Löten direkt auf der Oberfläche der Leiterplatte befestigt.

Im Folgenden finden Sie einen kurzen Vergleich zwischen der Durchkontaktierungs- und der SMT-Methode, der als Referenzleitfaden für die Entscheidungsfindung für PCB-Designer dienen soll.

Durchgangsloch-Technologie

Through Hole Technology (THT) ist eine Methode zur Montage elektronischer Komponenten durch Einführen ihrer Leitungen oder Stifte in vorgebohrte Löcher auf einer blanken Leiterplatte. Vor dem Aufkommen von SMT in den 1980er Jahren war die Durchkontaktierungstechnologie die branchenübliche Konfigurationsmethode. Allerdings ist die Oberflächenmontage effizienter und kostengünstiger, was viele Menschen zu der Annahme verleitet, dass THT obsolet werden würde.

Obwohl Through-Hole-Komponenten die ältere der beiden Technologien darstellen, gibt es immer noch triftige Gründe für ihren Einsatz. Beispielsweise erfordert der Zusammenbau einer Leiterplatte mit Durchgangsbohrung oder einer kleinen Charge solcher Leiterplatten nur minimalen Aufwand, da die Löcher, in denen die Komponentenanschlüsse untergebracht sind, im Vergleich zu den bei SMT verwendeten Oberflächenpads weiter voneinander entfernt sind. Der großzügige Abstand, typischerweise 0.100 Zoll oder mehr, erleichtert das Handlöten von Durchsteckplatinen. Darüber hinaus wird die Wahrscheinlichkeit der Entstehung unbeabsichtigter Verbindungen (Brücken) zwischen den Pins einer einzelnen Komponente oder zwischen benachbarten Komponenten erheblich verringert. Dies vereinfacht die Fehlerbehebung erheblich und minimiert den Bedarf an Nacharbeiten, sobald die vollständig bestückte Platine eingeschaltet ist.

Axiale und radiale Anschlüsse sind die beiden Arten von THT-Bestandteilen. Bei Axialleitungsbestandteilen sind sowohl auf der Vorder- als auch auf der Rückseite Drähte am Bauteil befestigt. Bei radialen Bauteilen befinden sich die Anschlüsse an einer Endseite des Bauteils.

Radiale Anschlüsse sind für dicht gepackte Platinen vorzuziehen, da sie weniger Platz beanspruchen als axiale Anschlüsse, die eng an der Platine anliegen.

Vor- und Nachteile von THT

Vorteile

Überlegene mechanische Verbindungen: THT bietet im Vergleich zur Surface Mount Technology (SMT) stärkere mechanische Verbindungen und eignet sich daher ideal für Komponenten, die mechanischer Belastung ausgesetzt sind, wie z. B. Steckverbinder und Transformatoren.

Einfaches manuelles Löten: Die beabstandete Platzierung zwischen den Löchern in THT ermöglicht ein einfacheres manuelles Löten von Komponenten, was während der Prototyping- und Testphase von Vorteil sein kann.

Austauschbarkeit: THT-Komponenten sind leicht austauschbar und eignen sich daher für Anwendungen, die einen häufigen Komponentenaustausch erfordern, wie z. B. Prototypen oder Tests.

Haltbarkeit: THT-Verbindungen bieten robuste Zwischenschichtverbindungen, sodass THT-Komponenten den Umweltbelastungen besser standhalten als SMT-Komponenten. Daher eignet sich THT vorzugsweise für Produkte, die starkem Schub, Vibrationen oder Umgebungen mit hohen Temperaturen ausgesetzt sind, einschließlich Militär- und Luft- und Raumfahrtanwendungen.

Nachteile

Zeitaufwändig und kostspielig, da Löcher in die blanke Leiterplatte gebohrt werden müssen.

Beschränkt den zugänglichen Konfigurationsbereich auf mehrschichtigen Platinen, da Bohrlöcher alle Schichten durchqueren müssen, was für die meisten Anwendungen kostspielig ist.

Weniger effiziente und zuverlässige Lötmethoden (Wellen-, selektive oder manuelle Lötmethoden) im Vergleich zu den Reflow-Öfen von SMT.

Erfordert Löten auf jeder Seite der Platine, im Gegensatz zu SMT, wo nur auf einer Seite gelötet werden muss.

Oberflächenmontagetechnik

Oberflächenmontagetechnologie (SMT) ist der Prozess der Montage von Bauteilen direkt auf der Oberfläche einer Leiterplatte (PCB). Ursprünglich war sie als „planare Montage“ bekannt, wurde in den 1960er Jahren entwickelt und erfreute sich seit den 1980er Jahren großer Beliebtheit. Heute ist SMT die Standardmethode bei der Herstellung elektronischer Hardware und spielt eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung und Produktion von Leiterplatten. Es hat die Gesamtqualität und Leistung von Leiterplatten erheblich verbessert und gleichzeitig die Verarbeitungs- und Handhabungskosten erheblich gesenkt.

SMT ist aufgrund seiner Fähigkeit, Leistung, Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz zu verbessern, zu einem integralen Bestandteil des PCB-Designs geworden. Durch den Wegfall von Bohrlöchern in der Platine ermöglicht SMT das direkte Auflöten von Bauteilen auf die Oberfläche. Diese Komponenten sind kleiner und können auf beiden Seiten der Platine montiert werden, was eine höhere Komponentendichte ermöglicht und zu leistungsstärkeren und kompakteren Leiterplatten führt.

Vor- und Nachteile von SMT

Vorteile

Verbesserte Leistung: SMT-gefertigte Leiterplatten zeigen dank der sicheren Verbindungen zwischen Komponenten und der Leiterplattenoberfläche auch unter Erschütterungs- und Vibrationsbedingungen eine hervorragende Leistung.

Kostenreduzierung und Effizienz: Das Fehlen von Löchern bei der SMT-Fertigung führt zu erheblichen Kostensenkungen, minimalem Abfall und kürzeren Produktionszeiten. SMT bietet aufgrund der zuverlässigen Lötmethode mit Reflow-Öfen einen schnelleren Prozess zur Komponentenkonfiguration, der etwa zehnmal schneller ist als die Durchgangslochmontage (THM).

Raumnutzung: SMT-Komponenten machen plattierte Durchgangslöcher überflüssig und verwenden stattdessen kleine Oberflächenpads. Dies ermöglicht das Bohren kleiner Durchkontaktierungen direkt unter den Anschlüssen der SMT-Komponenten, was Z-Achsen-Verbindungen und eine effiziente Raumnutzung ermöglicht. Der zurückgewonnene Raum kann für die Platzierung zusätzlicher Komponenten genutzt werden, was zu einer höheren Komponentendichte und einer optimalen Nutzung der verfügbaren Fläche führt.

Beidseitige Montage: SMT-Platinen nutzen üblicherweise beide Seiten der Leiterplatte für die Komponentenmontage. Dies erhöht die Bauteildichte weiter und bietet mehr Flexibilität bei der Bauteilplatzierung.

Nachteile

Mechanischer und umweltbedingter Stress: SMT kann vor Herausforderungen stehen, wenn es für Komponenten verwendet wird, die extremen mechanischen, umweltbedingten oder thermischen Belastungsbedingungen ausgesetzt sind. Unter solchen Bedingungen können die Lötverbindungen bei SMT im Vergleich zur Through Hole-Montage (THM) anfälliger für Ausfälle sein.

Ungeeignet für Prototyping und Tests: SMT-Komponenten sind aufgrund ihrer geringeren Größe und kompakten Bauweise nicht ideal für das Prototyping oder Testen kleiner Schaltungen. THM wird für solche Anwendungen oft bevorzugt, da es eine einfachere Austauschbarkeit von Komponenten während der Prototypen- und Testphase ermöglicht.

Kostenunterschiede

SMT bietet im Allgemeinen niedrigere anfängliche Herstellungskosten, geringere Arbeits- und Montagekosten sowie einfachere Nacharbeits- und Reparaturprozesse im Vergleich zu THT. Die geringere Größe und das geringere Gewicht von SMT-Komponenten tragen zu Materialkosteneinsparungen und einer erhöhten Komponentendichte auf der Leiterplatte bei. Automatisierte Montagetechniken in der SMT reduzieren den manuellen Arbeitsaufwand, während Nacharbeiten und Reparaturen vereinfacht werden. Darüber hinaus kann die größere Verfügbarkeit von SMT-Komponenten aufgrund von Skaleneffekten zu Kostenvorteilen führen.

Unterschiede in der Montage

SMT und THT unterscheiden sich hinsichtlich der Komponentenmontage, des Montageprozesses, der Zugänglichkeit, der Anwendungseignung und der Kostenaspekte bei der Leiterplattenbestückung. SMT beinhaltet die Oberflächenmontage kleinerer Komponenten, was eine höhere Dichte und automatisierte Montage ermöglicht, während THT das manuelle Einsetzen von Komponenten in Bohrlöcher erfordert. SMT bietet eine einfachere Zugänglichkeit für Tests und Reparaturen und eignet sich daher für die Massenproduktion und miniaturisierte Designs. THT zeichnet sich durch robuste mechanische Verbindungen aus und ist ideal für Anwendungen mit hoher mechanischer Beanspruchung. SMT bietet im Allgemeinen Kostenvorteile für die Großserienproduktion, während THT für Kleinserien oder spezielle Anwendungen kostengünstiger sein kann. Die Wahl zwischen SMT und THT hängt von den Designanforderungen, dem Bestückungsvolumen, der Komponentenverfügbarkeit und der beabsichtigten Anwendung ab und erfordert häufig eine Kombination beider Technologien, um die Leiterplattenbestückungsprozesse zu optimieren.

Zusammenfassung: Durchgangsloch oder SMT

Bei der Wahl zwischen SMT und THT müssen Faktoren wie Designanforderungen, Produktionsvolumen, Kostenbudget und Anwendungsanforderungen berücksichtigt werden. SMT eignet sich für die Massenproduktion, miniaturisierte Designs und automatisierte Montage und bietet eine höhere Komponentendichte und eine schnellere Montagegeschwindigkeit. THT eignet sich für Anwendungen, die robuste mechanische Verbindungen erfordern, kann hoher mechanischer Beanspruchung oder extremen Umgebungen standhalten und kann für Anwendungen mit geringem Volumen oder Spezialanwendungen kostengünstiger sein. Abhängig von den spezifischen Umständen kann eine Kombination von SMT- und THT-Technologien erforderlich sein, um die Stärken beider Ansätze zu nutzen und das Optimum zu erreichen Leiterplattenmontage Lösung.