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Utilizzare componenti elettronici SMD o PTH?

Quando si comincia a smanettare con l'elettronica, ci si scontra nel giro di qualche minuto con quello che sulle prime è un problema non di poco conto: i componenti elettronici SMD. SMD è acronimo di Surface Mount Device e indica quella tipologia di componenti elettronici che sono progettati per essere montati superficialmente al PCB, e si differenziano dai componenti PTH (Pin Through Hole), detti anche THT (Through-Hole Technology), i quali sono al contrario realizzati per essere montati a foro passante. I componenti PTH fisicamente si montano su di un lato del PCB (il lato superiore, tipicamente), ma elettricamente si connettono al lato opposto  (quello inferiore).

smd-vs-pth
Differenza componente SMD e TTH
Differenza tra un diodo SMD (sulla sx) e un'induttanza PTH (sulla dx)

I componenti PTH l'hanno fatta da padrone per anni e anni. La loro struttura ne permetteva il montaggio anche a mano (cosa non di poco conto per le piccole serie), e nel caso di alcuni passivi (resistenze e condensatori, ma anche transistor e diodi) permette - tutt'ora oggi - di progettare componenti specifici per alcune applicazioni (ad esempio, le resistenze di potenza, o i condensatori per differenze di potenziale elevate - 400V a salire).

Tuttavia, da moltissimi anni a questa parte (la diffusione è partita negli anni '80, ma il boom si è avuto negli anni '90) la produzione di componenti elettronici ha imboccato la strada della produzione esclusiva SMD. Tranne che in casi molto rari e specifici, è diventato pressoché impossibile trovare circuiti integrati che non siano fatti esclusivamente in SMD, spesso e volentieri con un pin spacing (ossia con una distanza tra un pin e un altro dell'integrato) bassissimo (<= 0.2mm). Di recente, soprattutto per integrati molto specialistici come i microcontrollori o gli FPGA, il formato BGA è diventato lo standard de facto. I componenti BGA hanno la caratteristica di avere le connessioni con il PCB al disotto del componente stesso. Spesso, un integrato BGA ha oltre 100 pin di connessione, e i meccanismi di produzione sono molto complessi, rendendo obbligatoria l'ispezione a raggi X.

Il lato di montaggio di un integrato BGA
Il lato di montaggio di un integrato BGA

Perché l'SMD?

Quali sono i vantaggi della tecnologia di produzione SMT (Surface Mount Technology)? Alcuni sono ovvi, altri si capiscono solo negli anni e con l'esperienza. Vi elenco i principali vantaggi:

  • Dimensione: la dimensione dei componenti è l'aspetto più rilevante della tecnologia SMD. Senza questa tecnologia oggi non avremmo gli smartphone ultracompatti che ci portiamo dietro ovunque. I componenti SMD (e con essi la fisica dei materiali che c'è dietro) hanno permesso di realizzare componenti sempre più compatti, che occupano pochissimo spazio, e che permettono di sfruttare al massimo la dimensione del circuito stampato.
  • Densità: come corollario del punto di cui sopra, la riduzione dei componenti SMD permette una maggiore densità sul circuito. È ovvio, ma è bene esplicitare questo punto non banale.
  • Posizionamento dei componenti: benché possibile anche con i componenti PTH, le dimensioni microscopiche di alcuni componenti SMD permettono di posizionarli su entrambe le facce del PCB. Ad esempio, questa cosa è obbligatoria per alcuni integrati che richiedono il posizionamento di condensatori esattamente al disotto del componente stesso.
  • Produzione automatica: i componenti SMD hanno spinto la produzione automatica di schede a livelli altissimi. I grandi centri di produzione hanno macchine ultraveloci (da oltre 40000 componenti ora) che permettono di sfornare circuiti ad una velocità impossibile da raggiungere con una produzione THT. Senza queste possibilità difficilmente oggi l'Apple potrebbe vendere milioni di iPhone al mese. Questo video vale più di mille parole
  • Costo: a parità di tecnologia, un componente SMD costa meno, perché costa meno produrlo, pesa meno ed ingombra meno e quindi c'è una minore incidenza del costo di trasporto per singolo componente - questa cosa potrebbe far ridere, ma vi assicuro che il costo per componente è un punto cruciale di tutta la produzione elettronica.
  • Vantaggi elettronici: ci sono vantaggi che vanno ben oltre l'aspetto fisico. I componenti SMD presentano una ridotta resistenza ed induttanza sul punto di connessione, consentendo di ottenere performance specifiche per circuiti ad alte frequenze e/o circuiti particolarmente sensibili al rumore. Allo stesso modo, caratteristiche di immunità elettromagnetica sono ottenibili solo per mezzo di componenti SMD, la cui dimensione riduce le interferenze radiate dal circuito. È un argomento complesso, ma non banale per la progettazione professionale.

È chiaro che non vi sono solo vantaggi. Vediamo i principali svantaggi di questo processo di produzione:

  • Qualità della produzione: la tecnologia SMT soffre molto più della THT di un problema di qualità di produzione. I componenti SMD sono saldati al PCB per mezzo di una quantità di stagno - per la cronaca in pasta, ma di questo parlerò prossimamente - infinitesimale. Un errore nel posizionamento della pasta o del componente può essere fatale, e per alcuni tipi di componenti molto piccoli o, ad esempio, i BGA è richiesta l'ispezione ai raggi X per identificare eventuali problemi di produzione.
  • Non idonei per circuiti di potenza: in molti casi i componenti SMD non sono idonei per circuiti che operano ad alta tensione, o con potenze in gioco molto alte. Un motivo su tutti? Spesso non sono in grado di garantire il giusto isolamento (creepage) tra piste che portano elevate correnti a differenze di potenziali elevate.
  • Difficoltà nella riparazione dei circuiti: rimuovere un componente SMD è cosa non banale, che richiede attrezzature specifiche e conoscenze che non si apprendono né in ore né in giorni. Dissaldare un componente PTH richiede un minimo di manualità. Un discorso analogo vale anche per la diagnostica del circuito.
  • Minore praticità nelle piccole serie/prototipi: è indubbio che i componenti PTH sono molto più facili da montare a mano, e per piccole serie e prototipi è sicuramente più pratico ed economico l'uso di componenti PTH.

SMD for the rest of us

È chiaro che in un'ottica di produzione professionale - e quindi industriale - non vi sono motivi (se non quelli tecnici) per non scegliere componenti SMD in fase di progettazione. Ma per chi vuole fare circuiti in proprio, per hobby o per commissioni specifiche, come comportarsi?

Se frequentate forum, newsgroup o altre community di elettronica allora sicuramente sarete già abbondantemente terrorizzati dalla sigla SMD. Avrete sicuramente letto che un hobbista non ha speranze di usare quei componenti, che sono poco pratici, costosi. Amen. Tuttavia, se avete notato, nei punti di svantaggio elencati prima ho inserito questo aspetto all'ultimo posto. Perché? Perché non è poi tutto sto gran problema. Sto scherzando? NO. Assolutamente.

Innanzitutto, bisogna fare i conti con la dura realtà. Il mondo dell'elettronica è ormai SMD driven. Punto. È inutile piangere e citare i soliti slogan da bar: non è più come una volta, è tutto finito, non esistono le mezze stagioni. A Napoli c'è un detto: guaje fatto, remmedio aspetta (A guaio avveuto, non resta che porre rimedio - senza rammarico, tipico della filosofia partenopea). E poi con un minimo di manualità vi assicuro che è molto più pratico saldare e gestire l'SMD che non i componenti PTH. Vediamo alcune strategie nel dettaglio.

SMD su breadboard

Gli hobbisti sono intimi amici delle basette millefori, specie quelle riutilizzabili. Come fare per usare componenti SMD su questi utili strumenti da laboratorio? Esistono in giro pratici adattatori che "convertono" un dato componente SMD in modo da permetterne il montaggio sulle basette con passo 2.54mm.

SMD2breadboard
Adattatore SMD millefori
Esempio di adattatore SMD su millefori

Come si trovano questi adattatori? Ebbene, dovete sapere che in elettronica è tutto standardizzato. Tutti i package SMD, siano essi resistori o circuiti integrati, sono rigorosamente standardizzati da norme internazionali. Quando comprate un componente elettronico, ad esempio il sensore di temperatura TMP275 di Texas Instruments, questo vi è offerto dal produttore in uno o più package diversi, ma standard. Ad esempio, il sensore di cui prima è prodotto in formato SOIC8. Andate su google, e cercate soic8 adapter e vi esce un mondo.

Saldare i componenti SMD

La saldatura dei componenti SMD è l'aspetto più critico, e può essere affrontato in due modi: con un saldatore tradizionale o facendo uso di stencil e pasta saldante. A volte si trovano in giro tutorial su come saldare facendo uso di un saldatore ad aria. Vi dico che secondo me questa tecnica funziona male, perché durante la fase di riscaldamento del componente è necessario tenerlo ben fermo. Inoltre, il saldatore ad aria può impiegare molto tempo per riscaldare la superficie del PCB, provocando la rottura del componente. Il saldatore ad aria, invece, torna molto utile per dissaldare i componenti (rework).

Saldare con il saldatore

Per  saldare i componenti SMD occorre avere un buon saldatore. Non bisogna spendere una fortuna, ma dimenticate di usare quei classici saldatori a stilo o a pistola che si vendono nei brico. Vi occorre una stazione saldante digitale, e buone punte. Su eBay si trovano decine di stazioni saldanti cinesi vendute per meno di €80.

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Io uso tutt'ora oggi questa qui, pagata €60. Va bene per saldare anche i TQFP100 e simili. Alla fine è questione di tecnica.

Vi occorreranno poi fili di stagno di varie dimensioni: vi suggerisco 0.75mm, 0.5mm e 0.3mm. Sullo stagno ci sarebbe da scrivere un libro. Per usi non professionali, io vi raccomando di comprare stagno contenente piombo. Anche se la legge prescrive che la produzione elettronica moderna deve essere RoHS, ossia priva di componenti che contengano piombo e altri metalli pericolosi per l'ambiente, per usi hobbistici l'uso dello stagno con piombo non è proibito, e  sicuramente non morirete perché non vi vedo dei buongustai dello stagno. Gli stagni col piombo - o meglio, le leghe saldanti contenenti piombo - hanno la caratteristica di fondere a temperature molto più basse rispetto a quelli senza piombo, il che vi permette di tenere i componenti in zona di sicurezza termica, ed evitare che si danneggino. Gli integrati, infatti, sono progettati per essere saldati in forni di rifusione, ossia forni dove la temperatura raggiunge per un tempo minimo i 270°C. Gli stagni a filo con piombo fondono a circa 190°C, il che vi permette di adoperare temperature più basse in fase di saldatura.

Munitevi poi di buon flussante (flux, in inglese) liquido, anche se usate stagno con aggiunta di flussante. Per saldare componenti molto piccoli, vi occorrerà aggiungere anche una goccia di flussante sul pad per evitare corti. Io vi consiglio di trovare (non facile, purtroppo) un flussante NO CLEAN. I prodotti NO CLEAN riescono - a grandi linee, non ci riescono mai al 100% - ad evitare la formazione di residui dopo la saldatura (quella roba giallastra e appiccicosa che si forma dopo aver saldato). Comunque, dotatevi sempre di un buon estrattore di flussante, ossia un prodotto chimico (tipicamente spray) che rimuove i residui di flussante.

Con il saldatore, e con un minimo di manualità, si riescono a saldare quasi tutti i tipi di componenti SMD. Per i passivi, io vi consiglio di non spingervi oltre quelli da 0603. Comunque, fino a quelli da 0805 si riesce a saldare molto facilmente. In questo post non vi illustrerò tecniche specifiche, rimandando la cosa ad un post successivo. Per chi ha fretta, vi invito a cercare su Youtube "drag soldering". Vi appare un mondo.

Saldare con stencil e pasta saldante

Il processo più rapido di saldatura di componenti SMD è quello che si fa tramite stencil e pasta saldante, ed è lo stesso processo che si fa a livello industriale. Per piccole produzioni conviene anche a livello manuale, e secondo me dati i prezzi cinesi conviene anche a livello hobbistico. Cosa sono gli stencil?

smd-stencil

Uno stencil è una lamina (tipicamente di acciaio) molto sottile (da 0.15mm a scendere) dove sono stati effettuati dei fori, in corrispondenza dei PAD del componente SMD. Lo stencil si sovrappone al PCB, e dello stagno in pasta viene fatto passare per i buchi per mezzo di una spatola. In pratica è la stessa tecnica del decoupage. Questa tecnica vi permette di abbattere i tempi in maniera drammatica, effettuare un lavoro pulito e preciso. Io la trovo la tecnica di gran lunga più veloce. Anche questa tecnica sarà oggetto di un post successivo.

Conclusioni

Quello che è ho cercato di dirvi con questo prima articolo è che i componenti SMD non devono essere visti come un problema, anche quando si è agli inizi. Certo che se ci troviamo nella fase in cui il nostro obiettivo è capire la legge di Ohm, porsi il problema dei componenti SMD è troppo prematuro. Tuttavia, oggi come oggi non avere a che fare con gli integrati significa essere un elettronico - anche hobbista - di basso livello. E purtroppo la stragrande maggioranza degli integrati è SMD. In due prossimi articoli vi mostrerò, anche con l'uso di video, come saldare componenti SMD sia col saldatore sia con la tecnica degli stencil. A presto.


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8 comments

  1. Ciao

    Avrei bisogno di sostituire un componente della mia scheda madre del TC ELECTRONICS G FORCE.

    Si tratta di un gestore I/o di segnali XC3S200A della XILINX Package FTG256AGQ0801 del quale non riesco ad individuare i piedini né lato componenti né lato saldature

    Spero che potrai aiutarmi.

    STEFANO

    • Ciao,
      se ho capito bene il chip è in package BGA, ossia i piedini sono sotto il componente:

      Sostituire questi integrati non è facile, perché oltre ad occorrere una buona stazione ad aria (per non dire ottima), occorre anche il piatto riscaldato per preriscaldare la scheda, pena la rottura delle microscopiche piste sotto al componente. Io purtroppo non mi occupo di rework di componenti. Devi trovare qualcuno nella tua zona che fa questo.

  2. Sei un grande, ottimo articolo, unico appunto, per favore metti le date quando scrivi un articolo, p una cosa utile è importante.

    Ciao

  3. Dr Giuseppe Cavedon

    Alla cortese attenzione dell’ufficio Ricerca e Sviluppo

    Buongiorno sono Alessandra di TECHNA azienda sita ad Arzignano in Provincia di Vicenza, Vi ho inviato questa mail per portare alla Vostra attenzione un trattamento innovativo di Vostro interesse.

    In particolare vorrei spiegarle meglio cosa intendiamo per TRATTAMENTO PECVD. La tecnologia PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) è una tecnica che, utilizzando il plasma in vuoto, crea un rivestimento evitando l’adesione di sostanze organiche e inorganiche sulla superficie trattata.

    A Voi quali vantaggi conseguirebbero?

    una volta applicato il trattamento, questo permette di arrotondare il bordo del taglio laser effettuato sulle lamine;
    il trattamento garantisce un distacco più pulito e netto tra lamina e resina o altre tipologie di sostanze adesive;
    il trattamento una volta applicato va dagli 800 nano a 1 micron di spessore.
    Il trattamento viene applicato anche su circuiti elettronici ( schede ) dove spesso sono posizionate all'esterno su caldaie,condizionatori,cancellielettronici,edaltro.Inquestocaso possiamo risolvere i problemi di ossidazione,allungando cosi la funzionalità della scheda elettronica stessa.

    Il processo di deposizione avviene all’interno di camere da vuoto dove i precursori vaporizzati ed attivati al plasma, condensano sulla superficie dei substrati formando ricoprimenti polimerici, metallici e ceramici di diversa natura.

    In virtù di temperature generalmente inferiori ai 50° è possibile utilizzare questa tecnologia per trattamenti sia su particolari metallici (acciaio, alluminio) che su materiali polimerici, tessuti ed altri materiali termosensibili.

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