Tecnologia de muntatge en superfície

Components SMD sobre una placa de circuit imprès

Condensador SMD

La tecnologia de muntatge en superfície (en anglès, Surface-Mount Technology, abreujat SMT) és un mètode de fabricació electrònica en el qual els components es col·loquen i solden directament sobre la superfície d'una placa de circuit imprès (PCB), sense necessitat de perforar forats a la placa. Els components dissenyats per a aquest mètode s'anomenen dispositius de muntatge en superfície (Surface-Mount Devices, SMD).

La SMT és avui la tecnologia dominant en el muntatge de plaques de circuit imprès a la indústria electrònica, i ha substituït en gran manera la tecnologia de forat passant (Through-Hole Technology, THT), en la qual els terminals dels components s'inserien a través de forats perforats a la placa. La SMT permet una densitat de components molt superior, dimensions més reduïdes i una producció molt més automatitzada.

En els components SMD, les potes metàl·liques esdevenen molt més primes i curtes en el cas de molts circuits integrats, mentre que per a elements passius (com resistències i condensadors) els terminals estan fixats directament sobre el cos de l'element. Dissenyats per a ser soldats mecànicament per mitjà de maquinària automatitzada, la seva soldadura manual sol ser difícil a causa de les seves petites dimensions.

Història

Els orígens de la SMT es remunten a la dècada de 1960, quan IBM va desenvolupar el que en aquell moment es coneixia com a muntatge pla (planar mounting). El 1960, IBM va presentar el primer disseny d'aquest tipus en un ordinador de petit format, i la tecnologia va ser aplicada posteriorment al Launch Vehicle Digital Computer, el sistema de guia de les missions Saturn V i Saturn IB del programa Apol·lo de la NASA. L'empresa Siemens també va contribuir decisivament al desenvolupament de la tecnologia, sent una de les primeres a utilitzar el terme SMD (Surface-Mount Devices) per designar els components dissenyats per a aquest mètode.

Malgrat aquest inici prometedor en aplicacions aeroespacials, la SMT no va generalitzar-se en la indústria fins a la meitat de la dècada de 1980. L'any 1986, els components de muntatge en superfície representaven tan sols al voltant del 10% del mercat total. Durant la dècada de 1990, la tecnologia va experimentar una expansió accelerada, i a finals d'aquella dècada ja dominava la gran majoria de la producció d'electrònica d'alta tecnologia.

El desenvolupament de la SMT va ser impulsat per la necessitat de produir dispositius electrònics més petits, lleugers i econòmics, especialment en el sector de l'electrònica de consum. Fabricants del Japó i dels Estats Units van liderar la seva integració en la producció en massa durant els anys 1980, establint les bases del procés modern d'assemblatge electrònic.

Procés d'assemblatge

El procés SMT estàndard consta de les etapes següents:

Disseny i preparació de la PCB

Abans de l'assemblatge, la PCB s'ha de dissenyar específicament per a SMT. Això inclou la definició de les pastilles de soldadura (solder pads), superfícies planes de coure sense forats sobre les quals es fixaran els components, i l'aplicació de la màscara de soldadura per evitar ponts de soldadura no desitjats.

Aplicació de pasta de soldadura

Mitjançant una plantilla metàl·lica (stencil), s'aplica pasta de soldadura sobre les pastilles de la PCB. La pasta és una barreja de flux i partícules de metall (estany i altres aliatges) que actuarà com a agent d'unió durant la soldadura.

Col·locació de components (pick and place)

Màquines automàtiques de recollida i col·locació (pick-and-place) agafen els components SMD dels seus embalatges (cintes, tubs o safates) i els posicionen amb gran precisió sobre les pastilles de soldadura de la PCB. Les màquines modernes poden col·locar més de 136.000 components per hora.

Soldadura per reflux (reflow soldering)

La placa amb els components col·locats passa per un forn de reflux, on la temperatura s'eleva de manera controlada fins a fondre la pasta de soldadura i formar les connexions elèctriques. En refredar-se, la soldadura es solidifica i fixa els components a la placa. La tensió superficial de la soldadura fosa contribueix a alinear automàticament els components que no han quedat perfectament posicionats.

Inspecció

Després de la soldadura, les plaques se sotmeten a inspecció per detectar defectes. Els sistemes d'inspecció òptica automatitzada (AOI, Automated Optical Inspection) i els equips d'inspecció per raigs X s'utilitzen habitualment per verificar la qualitat de les unions de soldadura sense necessitat de desmuntar la placa.

Components SMD

Els components SMD es presenten en una gran varietat de formats i mides estandarditzades. Els principals tipus són:

• Components passius: resistències, condensadors i inductàncies. Les mides més habituals s'identifiquen amb codis com 0201, 0402, 0603, 0805 i 1206, que fan referència a les dimensions en centèsimes de polzada.
• Transistors i díodes: en encapsulats compactes com SOT-23 o SOD-123.
• Circuits integrats: en encapsulats plans com SOIC, QFP, QFN, o amb matrius de boles de soldadura (BGA, Ball Grid Array).

Avantatges

La SMT ofereix nombrosos avantatges respecte a la tecnologia de forat passant:

• Major densitat de components: els SMD són molt més petits que els seus equivalents de forat passant, i es poden col·locar a les dues cares de la placa, cosa que permet dissenyar circuits molt més compactes.
• Automatització elevada: el procés es presta a una automatització gairebé total, reduint costos de mà d'obra i minimitzant errors humans.
• Major velocitat de producció: les màquines de pick and place i els forns de reflux permeten taxes de producció molt elevades.
• Millors prestacions elèctriques: la mida reduïda dels components disminueix la inductància i la capacitància paràsita, afavorint el funcionament a altes freqüències i reduint les interferències electromagnètiques.
• Reducció de pes i volum: les plaques resultants són més lleugeres i petites, fet fonamental per a dispositius portables.

Inconvenients

Tot i els seus avantatges, la SMT presenta algunes limitacions:

• Dificultat de reparació manual: els components SMD molt petits o d'alta densitat de terminals (fine pitch) són difícils o impossibles de soldar i dessoldar manualment sense equips especialitzats.
• No apta per a prototipatge ràpid: la SMT no és compatible directament amb plaques de prototipatge (breadboards) estàndard, cosa que complica el desenvolupament i les proves a petita escala.
• Sensibilitat tèrmica: alguns components SMD poden danyar-se si el procés de reflux no es controla correctament.
• Menor resistència mecànica: en aplicacions amb vibracions elevades o connectors sotmesos a esforços mecànics, el forat passant continua sent preferit per la seva major robustesa mecànica.

SMT i THT combinats

En moltes aplicacions, la SMT i la THT coexisteixen en una mateixa placa. Els components de gran mida, els connectors o els elements que han de suportar esforços mecànics acostumen a muntar-se amb tecnologia de forat passant, mentre que la resta del circuit utilitza SMT. Aquest enfocament mixt és habitual en sistemes de control industrial, fonts d'alimentació i algunes aplicacions d'electrònica de consum.

Aplicacions

La SMT és la tecnologia d'assemblatge electrònic utilitzada en pràcticament tots els sectors industrials moderns:

• Electrònica de consum: telèfons intel·ligents, tauletes, ordinadors portàtils, televisors i dispositius portables.
• Automoció: unitats de control electrònic (ECU), sistemes d'assistència a la conducció (ADAS) i components per a vehicles elèctrics.
• Aeroespacial i defensa: sistemes de guia, avionètica i electrònica embarcada d'alta fiabilitat.
• Dispositius mèdics: monitors de pacients, dispositius implantables i instruments de diagnòstic.
• Telecomunicacions: infraestructura de xarxes 5G, routers i equipament de xarxa.
• Industrial: robòtica, sensors i sistemes de control per a la Indústria 4.0.

Vegeu també

• Placa de circuit imprès (PCB)
• Serveis de Fabricació d'Electrònica (EMS)
• Indústria 4.0

Enllaços externs

• International Microelectronics And Packaging Society (anglès)
• Surface Mount Technology Association (SMTA) (anglès)
• IPC – associació internacional d'estàndards per a la indústria electrònica