為什麼我們越來越多的使用貼片電阻,而非插裝器件?

2020-12-07 EDN電子設計技術

越來越多電路板的使用貼片元件，新設計的電路板除特殊需求的情況之外，都是優選貼片元器件。貼片元件以其體積小、易於機器焊接、便於維護，隨著成本下降，已經成為很多器件選型場景的默認選項。特別是電阻、電容、電感，這些批量使用的元器件，設計時都傾向於優選貼片元件。這是因為以下幾種原因。Mh3ednc

直插元件相比，貼片元件體積小，重量輕，容易保存和運輸。

貼片元件的體積和重量只有傳統插裝元件的1/10左右，一般採用SMT之後，電子產品體積縮小40%~60%，重量減輕60%~80%。可靠性高、抗振能力強、焊點缺陷率低、高頻特性好、減少了電磁和射頻幹擾、易於實現自動化、提高生產效率、降低成本達30%~50%，節省材料、能源、設備、人力、工時。如通常用的貼片電阻0805封裝或者0603封裝比我們之前用的直插電阻要小上很多。幾十個直插電阻就可以裝滿一袋，但換成貼片電阻的話足以裝好幾千個甚至上萬個。如果功率能滿足的前提下，一般優選表貼器件。Mh3ednc

貼片元件比直插元件容易焊接和拆卸。

貼片元件不用過孔，用錫少。直插元件最麻煩的就是拆卸，在兩層或更多層的PCB板上拆卸時，哪怕只有兩個管腳，將其拆下來也不太容易，而且容易損壞電路板，多管腳的就更不用說了。拆卸貼片元件就容易多了，不只管腳容易拆，而且也不容易損壞電路板。拆卸直插元器件的主要工具是吸錫器，自動的吸錫器價格昂貴，並且不易於保養，很容易損壞，或者氣孔堵塞等問題。貼片器件在焊接過程中，是通過機器把元器件放置在PCB焊盤上的，而直插器件一般依賴人工放料。所以大批量生產的時候，貼片器件的生產效率會遠遠高於直插器件。直插器件往往在焊接之後還需要額外「剪管腳」，當產量非常大的時候，會影響生產效率。Mh3ednc

貼片元件比直插元件的高頻特性更好。

這是由於貼片元件體積小並且不需要過孔，從而減少了雜散電場和雜散磁場，這在高頻模擬電路和高速數字電路中非常重要。如圖8.1所示，我們可以看到電阻的寄生參數，主要是並聯的雜散電容Cp，和引線導致的寄生電感Lp和並聯電容。Mh3ednc

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電阻的高頻等效模型Mh3ednc

如圖所示，直插電阻因為管腳是「金屬絲」的形式，所以金屬絲越長，則寄生的電感越大。直插電阻的管腳長度不可能太短，原因有三：第一、直插電阻體積比較大，引腳的最短也一定大於電阻橫截面積的半徑大小；第二、直插電阻的管腳需要穿過PCB；第三，一般我們彎折電阻管腳進行安裝的時候，需要留一段距離，避免電阻體受力，導致電阻損壞。如圖8.3所示，而相比之下，表貼電阻的管腳就非常短，所以表貼電阻的寄生電感也非常小。Mh3ednc

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直插電阻管腳實物圖Mh3ednc

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表貼電阻管腳實物圖Mh3ednc

理想的電阻的阻抗應該是跟頻率無關的，如圖所示。Mh3ednc

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理想電阻的阻抗曲線圖Mh3ednc

在具有電阻、電感和電容的電路裡，對電路中的電流所起的阻礙作用叫做阻抗。阻抗常用Z表示，是一個複數，實部稱為電阻，虛部稱為電抗，其中電容在電路中對直流電所起的阻礙作用稱為容抗 ,電感在電路中對交流電所起的阻礙作用稱為感抗，電容和電感在電路中對交流電引起的阻礙作用總稱為電抗。阻抗的單位是歐姆。Mh3ednc

阻抗是元器件或電路對周期的交流信號的總的反作用。AC 交流測試信號 （幅度和頻率）。阻抗是一個複數，包括實部和虛部。理想電阻就是阻抗的實部，寄生電感和寄生電容就是阻抗的虛部。Mh3ednc

簡單的看，我們可以先把寄生的並聯電容省略，就是一個理想的電阻串聯一個理想的電感。當串聯一個寄生電感之後，則相當於阻抗增加了一個虛部。根據我們熟知的電感特性是通直流，阻交流，則相當於高頻的阻抗上升。Mh3ednc

阻抗在直角坐標系中用Z=R+jX表示。那麼在極坐標系中，阻抗可以用幅度和相角表示。直角坐標系中的實部和虛部可以通過數學換算成極坐標系中的幅度和相位。我們通過阻抗公式式，可以知道：Mh3ednc

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那麼Z求模的結果，就是某個頻率點的阻抗的大小。如圖8.5所示，我們在復阻抗平面按表示一個阻抗。Mh3ednc

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復阻抗平面表示一個阻抗Mh3ednc

我們在討論一些電路的時候，往往需要知道電路在各個頻點的阻抗絕對值，例如：高速數字電路的信號完整性分析、濾波器設計等。所以我們一般會繪製一個阻抗和頻率的函數曲線，描述阻抗特性。我們選擇一個10歐姆電阻、並設置寄生電容為0.2pF、寄生電感為10nH或者20nH的電路，其阻抗特性如圖所示。Mh3ednc

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實際電阻的阻抗特性曲線Mh3ednc

貼片元件提高了電路的穩定性和可靠性

直插器件的抗震能力偏差，在一些高可靠性的場景下，需要對直插器件的管腳點上加固膠，如圖所示。Mh3ednc

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立式直插電阻點膠加固工藝Mh3ednc

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直插電容點膠加固工藝Mh3ednc

表貼器件因為體積小、重量輕，相同的參數情況下，震動的能量小，震動帶來對引腳的應力也就響應的小。表貼器件的引腳不是直插器件的金屬絲形式，而是大面積金屬面與PCB焊盤焊接在一起。所以表貼器件的引腳是剛性的，抗震能力更強。Mh3ednc

（本文授權自公眾號硬體十萬個為什麼，責編：Demi Xia）Mh3ednc

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