اجزای SMD (نصب‌شده روی سطح) چیستند؟

آمپر اجزای نصب‌شده روی سطح قطعه‌ای الکترونیکی است که برای نصب مستقیم روی سطح برد مدار چاپی طراحی شده و نه اینکه از طریق سوراخ‌های حک شده در برد عبور داده شود. این تفاوت اساسی، فناوری دستگاه‌های نصب‌شده روی سطح را از روش‌های قدیمی‌تر نصب از طریق سوراخ‌ها جدا می‌سازد و نحوه ساخت الکترونیک مدرن را تعریف می‌کند. درک اینکه دستگاه نصب‌شده روی سطح چیست، چگونه عمل می‌کند و چرا به‌طور گسترده‌ای استفاده می‌شود، پایه‌ای حیاتی برای مهندسان، خریداران و توسعه‌دهندگان محصول فراهم می‌کند تا در طراحی و تولید برد مدار چاپی تصمیمات آگاهانه‌ای بگیرند.

رشد الکترونیک مصرفی فشرده، بوردهای مدار چاپی با تراکم بالا و خطوط مونتاژ خودکار، باعث شده است که قطعات نصب‌شده روی سطح (SMD) به پرکاربردترین فرمت اجزای صنعت الکترونیک تبدیل شوند. از تلفن‌های هوشمند تا کنترل‌کننده‌های صنعتی، تقریباً هر محصول الکترونیکی مدرنی برای دستیابی به کوچک‌سازی، عملکرد بالا و کارایی هزینه‌ای، به قطعات نصب‌شده روی سطح متکی است. این مقاله توضیح می‌دهد که این قطعات چیستند، چه انواعی دارند و در مونتاژ واقعی بوردهای مدار چاپی چگونه استفاده می‌شوند.

تعریف و ویژگی‌های اصلی قطعه نصب‌شده روی سطح

چه چیزی یک قطعه نصب‌شده روی سطح را تعریف می‌کند

دستگاه نصب‌شده روی سطح (SMD) هر مؤلفهٔ غیرفعال، فعال یا الکترومکانیکی است که برای نصب روی سطح طراحی شده است. به جای سیم‌های متصل‌کننده که از صفحهٔ مدار عبور می‌کنند، دستگاه نصب‌شده روی سطح از تماس‌دهنده‌های تخت، پدها یا انتهای فلزی کوچکی استفاده می‌کند که به‌صورت همسطح با سطح برد مدار چاپی (PCB) قرار می‌گیرند. خمیر سولدر روی پدهای برد اعمال می‌شود، دستگاه نصب‌شده روی سطح توسط دستگاه‌های «برداشتن و قرار دادن» (pick-and-place) در جای خود قرار می‌گیرد و سپس مونتاژ از داخل کورهٔ رفلاو عبور می‌کند تا اتصال الکتریکی کامل شود.

ویژگی فیزیکی مشخص‌کنندهٔ دستگاه نصب‌شده روی سطح، فرم فشرده و کم‌ارتفاع آن است. ازآنجاکه دستگاه نصب‌شده روی سطح نیازی به سوراخ‌هایی در برد ندارد، می‌توان مؤلفه‌ها را روی هر دو سطح برد مدار چاپی قرار داد که این امر چگالی مدار را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهد. این ویژگی دستگاه نصب‌شده روی سطح را برای کاربردهایی که در آن‌ها فضای موجود و وزن محدود هستند، ایده‌آل می‌سازد.

ویژگی‌های الکتریکی کلیدی دستگاه نصب‌شده روی سطح

دستگاه نصب‌شده روی سطح (SMD) صرفاً نسخه‌ای کوچک‌تر از قطعه‌ی عبوری از سوراخ نیست. دستگاه نصب‌شده روی سطح (SMD) به‌گونه‌ای طراحی شده است که عملکرد الکتریکی پایداری را در فضای کوچک‌شده‌ی خود فراهم کند. طول کوتاه‌تر پایه‌ها در دستگاه نصب‌شده روی سطح (SMD)، القای نامطلوب و ظرفیت نامطلوب را کاهش می‌دهد که این امر مزیت بزرگی در طراحی مدارهای با فرکانس بالا محسوب می‌شود. این بدان معناست که دستگاه نصب‌شده روی سطح (SMD) اغلب در کاربردهای مربوط به فرکانس رادیویی (RF)، یکپارچگی سیگنال و سوئیچینگ، عملکردی بهتر از معادل عبوری از سوراخ خود دارد.

انواع قطعات دستگاه نصب‌شده روی سطح (SMD)

قطعات غیرفعال دستگاه نصب‌شده روی سطح (SMD)

انواع غیرفعال، رایج‌ترین دسته از قطعات سطحی (SMD) هستند. مقاومت‌ها، خازن‌ها و سلف‌ها بخش عمده‌ای از قطعات سطحی روی هر برد مدار چاپی استاندارد را تشکیل می‌دهند. این قطعات سطحی غیرفعال در اندازه‌های استاندارد بسته‌بندی موجود هستند، مانند ۰۴۰۲، ۰۶۰۳ و ۰۸۰۵ که اعداد آن‌ها به ابعاد فیزیکی آن‌ها بر حسب صدم اینچ اشاره دارند. انتخاب اندازه مناسب بسته‌بندی قطعات سطحی ضروری است، زیرا بر قابلیت لحیم‌کاری، عملکرد حرارتی و بازده مونتاژ تأثیر می‌گذارد. یک مقاومت یا خازن سطحی در بسته‌بندی ۰۴۰۲ بسیار کوچک است و نیازمند قرارگیری دقیق خودکار است تا از عدم تراز شدن یا عیوبی مانند «سنگ قبری» جلوگیری شود.

سریع‌ها به‌صورت دستگاه نصب‌شده روی سطح (SMD) در نسخه‌های محافظ‌دار و غیرمحافظ‌دار موجود هستند. یک سریع SMD محافظ‌دار، تداخل الکترومغناطیسی را به حداقل می‌رساند و در مدارهای منبع تغذیه و فیلترینگ ترجیح داده می‌شود. مهندسان سریع SMD را بر اساس مقدار القایی، جریان اسمی و مقاومت مستقیم (DCR) انتخاب می‌کنند که همه این پارامترها در صفحه مشخصات SMD ذکر شده‌اند.

اجزای فعال و مجتمع SMD

اجزای فعال سطحی-نصب‌شده (Surface-Mount Device) شامل ترانزیستورها، دیودها، مدارهای مجتمع (IC) و ریزکنترل‌کننده‌ها می‌باشند. یک مدار مجتمع (IC) که به‌صورت قطعه‌ای سطحی-نصب‌شده بسته‌بندی شده است، ممکن است از فرمت‌هایی مانند SOIC، QFP، QFN یا BGA استفاده کند. BGA یا آرایه‌ی گرید گلوله‌ای (Ball Grid Array)، فرمتی با چگالی بالا برای قطعات سطحی-نصب‌شده است که در آن گلوله‌های لحیم در یک آرایه‌ی منظم روی سطح زیرین قطعه قرار گرفته‌اند. این فرمت BGA به‌عنوان یک نوع قطعه‌ی سطحی-نصب‌شده، امکان ایجاد صدها اتصال را در سطح بسیار کوچکی فراهم می‌کند و بنابراین در پردازنده‌ها و تراشه‌های حافظه استاندارد است. بررسی قطعات سطحی-نصب‌شده‌ی BGA پس از فرآیند رفلو نیازمند تجهیزات اشعه‌ی ایکس است، زیرا اتصالات لحیم‌کاری در زیر بسته‌بندی پنهان شده‌اند.

دیودها و ترانزیستورها به‌عنوان قطعات سطحی-نصب‌شده معمولاً از بسته‌بندی‌های SOT یا SOD استفاده می‌کنند. این قطعات فعال سطحی-نصب‌شده به‌راحتی قابل قرارگیری و لحیم‌کاری هستند، اما در فرآیند مونتاژ نیازمند توجه دقیق به جهت‌گیری‌شان می‌باشند. قطبیت و علامت‌گذاری پین اول روی قطعه‌ی سطحی-نصب‌شده باید در مقابل نقش‌پردازی سیلک‌اسکرین مدار چاپی (PCB) بررسی شود تا از خطاهای نصب معکوس جلوگیری گردد.

کاربرد اجزای دستگاه نصب‌شده روی سطح در مونتاژ برد مدار چاپی

فرآیند مونتاژ SMT برای اجزای دستگاه نصب‌شده روی سطح

فرآیند مونتاژ دستگاه نصب‌شده روی سطح، از یک گردش کار تعریف‌شده پیروی می‌کند. ابتدا پاست سولدر با استنسل روی پدهای برد مدار چاپی (PCB) که قرار است هر یک از اجزای دستگاه نصب‌شده روی سطح را دریافت کنند، چاپ می‌شود. سپس دستگاه جابه‌جایی و قراردهی (pick-and-place) هر یک از اجزای دستگاه نصب‌شده روی سطح را از بسته‌بندی نواری-رول یا تray دریافت کرده و به‌طور دقیق روی پدهای پوشیده‌شده با پاست سولدر قرار می‌دهد. پس از قرار دادن تمام اجزای دستگاه نصب‌شده روی سطح، برد وارد فر اصلاح (reflow oven) می‌شود که در آن پروفایل‌های دمای کنترل‌شده، پاست سولدر را ذوب کرده و اتصالات قابل‌اطمینانی را در اطراف هر یک از اجزای دستگاه نصب‌شده روی سطح ایجاد می‌کنند. این جریان خودکار، امکان تولید انبوه و کیفیت یکنواخت لحیم‌کاری اجزای دستگاه نصب‌شده روی سطح را فراهم می‌سازد.

اگر شما خدمات مونتاژ برد مدار چاپی را که به‌صورت مقیاس‌پذیر اجزای دستگاه نصب‌شده روی سطح را پردازش می‌کنند، تأمین می‌کنید، حرفه‌ای اجزای نصب‌شده روی سطح ارائه‌دهندگان مونتاژ خدمات کلید در دست را ارائه می‌دهند که شامل تأمین قطعات، چاپ پاست، لحیم‌کاری با بازتاب حرارتی و بازرسی خودکار نوری می‌شود. انتخاب یک شریک مونتاژ با تجربه اطمینان حاصل می‌کند که هر دستگاه سطحی (Surface-Mount Device) به‌درستی در جای خود قرار گرفته و لحیم‌کاری شده است و این امر باعث کاهش کارهای اصلاحی و بهبود زمان عرضه محصول به بازار می‌شود.

کنترل کیفیت در مونتاژ دستگاه‌های سطحی (Surface-Mount Device)

کنترل کیفیت در مونتاژ دستگاه‌های سطحی (Surface-Mount Device) شامل بازرسی خودکار نوری (AOI) است که هر دستگاه سطحی را از نظر صحیح بودن قرارگیری، جهت‌گیری و کیفیت اتصالات لحیمی بررسی می‌کند. پل‌های لحیمی، مقدار ناکافی لحیم و قطعات دستگاه‌های سطحی (Surface-Mount Device) که از روی برد حذف شده‌اند، همگی توسط بازرسی خودکار نوری (AOI) قابل تشخیص هستند. برای برد‌های متراکم با بسته‌بندی‌های دستگاه‌های سطحی نوع BGA، بازرسی با اشعه ایکس (X-ray) امکان مشاهده اتصالات لحیمی پنهانی را فراهم می‌کند که بازرسی خودکار نوری (AOI) قادر به دسترسی به آن‌ها نیست. اجرای بازرسی دقیق در هر مرحله از فرآیند مونتاژ دستگاه‌های سطحی (Surface-Mount Device) برای دستیابی به برد‌های قابل اعتماد در هر دو مرحله نمونه‌سازی و تولید انبوه ضروری است.

سوالات متداول

تفاوت بین یک دستگاه نصب‌شده روی سطح (SMD) و یک قطعه سوراخ‌دار چیست؟

دستگاه نصب‌شده روی سطح (SMD) مستقیماً روی سطح برد مدار چاپی (PCB) با استفاده از پاست سولدر و فرآیند ریفلو نصب می‌شود، در حالی که قطعه سوراخ‌دار از طریق سیم‌های رهبری که در سوراخ‌های تراشیده‌شده قرار می‌گیرند و در سمت مقابل لحیم می‌شوند، نصب می‌گردد. دستگاه نصب‌شده روی سطح (SMD) معمولاً کوچک‌تر، سبک‌تر و مناسب‌تر برای مونتاژ خودکار با حجم بالا نسبت به قطعات سوراخ‌دار است.

آیا می‌توان یک دستگاه نصب‌شده روی سطح (SMD) را به‌صورت دستی لحیم کرد؟

بله، می‌توان یک دستگاه نصب‌شده روی سطح (SMD) را به‌صورت دستی لحیم کرد، هرچند این کار نیازمند مهارت و ابزار مناسب است. بسته‌های بزرگ‌تر SMD مانند SOIC یا مقاومت‌ها و خازن‌های ۰۸۰۵ به‌راحتی با ایرон لحیم‌کاری با نوک ظریف قابل لحیم‌کاری هستند. اما فرمت‌های کوچک‌تر SMD مانند ۰۲۰۱ یا BGA بسیار دشوار هستند و به‌طور قابل‌اطمینان لحیم‌کاری دستی نمی‌شوند و بهتر است با تجهیزات خودکار انجام شوند.

چگونه بسته مناسب دستگاه نصب‌شده روی سطح (SMD) را برای طراحی خود انتخاب کنم؟

انتخاب بسته‌ی مناسب دستگاه نصب‌شده روی سطح (Surface-Mount Device) به محدودیت‌های فضای مورد نیاز بر روی برد، نیازهای جریان، فرکانس عملیات و قابلیت‌های مونتاژ شما بستگی دارد. بسته‌های کوچک‌تر دستگاه نصب‌شده روی سطح فضای کمتری اشغال می‌کنند، اما نیازمند دقت بیشتری در فرآیند مونتاژ هستند. اندازه‌ی بزرگ‌تر پایه‌های دستگاه نصب‌شده روی سطح (Surface-Mount Device) باعث می‌شود کار با آن‌ها آسان‌تر و بازرسی آن‌ها ساده‌تر شود. همیشه قبل از نهایی‌سازی فهرست قطعات (Bill of Materials)، از توانایی شریک مونتاژ برد مدار چاپی (PCB) خود در پشتیبانی از اندازه‌های مشخص‌شده‌ی بسته‌های دستگاه نصب‌شده روی سطح (Surface-Mount Device) در طراحی خود اطمینان حاصل کنید.