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为什么我们越来越多的使用贴片电阻,而非插装器件?

2020-02-17 阅读:
为什么我们越来越多的使用贴片电阻,而非插装器件?
越来越多电路板的使用贴片元件,新设计的电路板除特殊需求的情况之外,都是优选贴片元器件。贴片元件以其体积小、易于机器焊接、便于维护,随着成本下降,已经成为很多器件选型场景的默认选项。特别是电阻、电容、电感,这些批量使用的元器件,设计时都倾向于优选贴片元件。这是因为以下几种原因。

越来越多电路板的使用贴片元件,新设计的电路板除特殊需求的情况之外,都是优选贴片元器件。贴片元件以其体积小、易于机器焊接、便于维护,随着成本下降,已经成为很多器件选型场景的默认选项。特别是电阻、电容、电感,这些批量使用的元器件,设计时都倾向于优选贴片元件。这是因为以下几种原因。iMtednc

直插元件相比,贴片元件体积小,重量轻,容易保存和运输。

贴片元件的体积和重量只有传统插装元件的1/10左右,一般采用SMT之后,电子产品体积缩小40%~60%,重量减轻60%~80%。可靠性高、抗振能力强、焊点缺陷率低、高频特性好、减少了电磁和射频干扰、易于实现自动化、提高生产效率、降低成本达30%~50%,节省材料、能源、设备、人力、工时。如通常用的贴片电阻0805封装或者0603封装比我们之前用的直插电阻要小上很多。几十个直插电阻就可以装满一袋,但换成贴片电阻的话足以装好几千个甚至上万个。如果功率能满足的前提下,一般优选表贴器件。iMtednc

贴片元件比直插元件容易焊接和拆卸。

贴片元件不用过孔,用锡少。直插元件最麻烦的就是拆卸,在两层或更多层的PCB板上拆卸时,哪怕只有两个管脚,将其拆下来也不太容易,而且容易损坏电路板,多管脚的就更不用说了。拆卸贴片元件就容易多了,不只管脚容易拆,而且也不容易损坏电路板。拆卸直插元器件的主要工具是吸锡器,自动的吸锡器价格昂贵,并且不易于保养,很容易损坏,或者气孔堵塞等问题。贴片器件在焊接过程中,是通过机器把元器件放置在PCB焊盘上的,而直插器件一般依赖人工放料。所以大批量生产的时候,贴片器件的生产效率会远远高于直插器件。直插器件往往在焊接之后还需要额外“剪管脚”,当产量非常大的时候,会影响生产效率。iMtednc

贴片元件比直插元件的高频特性更好。

这是由于贴片元件体积小并且不需要过孔,从而减少了杂散电场和杂散磁场,这在高频模拟电路和高速数字电路中非常重要。如图8.1所示,我们可以看到电阻的寄生参数,主要是并联的杂散电容Cp,和引线导致的寄生电感Lp和并联电容。iMtednc

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电阻的高频等效模型iMtednc

如图所示,直插电阻因为管脚是“金属丝”的形式,所以金属丝越长,则寄生的电感越大。直插电阻的管脚长度不可能太短,原因有三:第一、直插电阻体积比较大,引脚的最短也一定大于电阻横截面积的半径大小;第二、直插电阻的管脚需要穿过PCB;第三,一般我们弯折电阻管脚进行安装的时候,需要留一段距离,避免电阻体受力,导致电阻损坏。如图8.3所示,而相比之下,表贴电阻的管脚就非常短,所以表贴电阻的寄生电感也非常小。iMtednc

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直插电阻管脚实物图iMtednc

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表贴电阻管脚实物图iMtednc

理想的电阻的阻抗应该是跟频率无关的,如图所示。iMtednc

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理想电阻的阻抗曲线图iMtednc

在具有电阻、电感和电容的电路里,对电路中的电流所起的阻碍作用叫做阻抗。阻抗常用Z表示,是一个复数,实部称为电阻,虚部称为电抗,其中电容在电路中对直流电所起的阻碍作用称为容抗 ,电感在电路中对交流电所起的阻碍作用称为感抗,电容和电感在电路中对交流电引起的阻碍作用总称为电抗。阻抗的单位是欧姆。iMtednc

阻抗是元器件或电路对周期的交流信号的总的反作用。AC 交流测试信号 (幅度和频率)。阻抗是一个复数,包括实部和虚部。理想电阻就是阻抗的实部,寄生电感和寄生电容就是阻抗的虚部。iMtednc

简单的看,我们可以先把寄生的并联电容省略,就是一个理想的电阻串联一个理想的电感。当串联一个寄生电感之后,则相当于阻抗增加了一个虚部。根据我们熟知的电感特性是通直流,阻交流,则相当于高频的阻抗上升。iMtednc

阻抗在直角坐标系中用Z=R+jX表示。那么在极坐标系中,阻抗可以用幅度和相角表示。直角坐标系中的实部和虚部可以通过数学换算成极坐标系中的幅度和相位。我们通过阻抗公式式,可以知道:iMtednc

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那么Z求模的结果,就是某个频率点的阻抗的大小。如图8.5所示,我们在复阻抗平面按表示一个阻抗。iMtednc

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复阻抗平面表示一个阻抗iMtednc

我们在讨论一些电路的时候,往往需要知道电路在各个频点的阻抗绝对值,例如:高速数字电路的信号完整性分析、滤波器设计等。所以我们一般会绘制一个阻抗和频率的函数曲线,描述阻抗特性。我们选择一个10欧姆电阻、并设置寄生电容为0.2pF、寄生电感为10nH或者20nH的电路,其阻抗特性如图所示。iMtednc

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实际电阻的阻抗特性曲线iMtednc

贴片元件提高了电路的稳定性和可靠性

直插器件的抗震能力偏差,在一些高可靠性的场景下,需要对直插器件的管脚点上加固胶,如图所示。iMtednc

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立式直插电阻点胶加固工艺iMtednc

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直插电容点胶加固工艺iMtednc

表贴器件因为体积小、重量轻,相同的参数情况下,震动的能量小,震动带来对引脚的应力也就响应的小。表贴器件的引脚不是直插器件的金属丝形式,而是大面积金属面与PCB焊盘焊接在一起。所以表贴器件的引脚是刚性的,抗震能力更强。iMtednc

(本文授权自公众号硬件十万个为什么,责编:Demi Xia)iMtednc

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