Montage en surface ou traversant: comparaison technique complète pour les ingénieurs PCB

Si vous avez déjà ouvert un appareil électronique ancien, comme une vieille radio à tubes ou un amplificateur classique, vous avez probablement remarqué une multitude de composants dotés de longues broches traversant le PCB et solidement soudées sur la face opposée. Il s'agit de la technologie traversante (THT), qui a constitué la base de l'électronique pendant plusieurs décennies.

Observez maintenant l'intérieur d'un smartphone moderne ou d'un système embarqué haute vitesse. Vous y trouverez une forte densité de composants montés en surface (SMT) posés à plat sur la surface du PCB, formant une véritable ville miniature de circuits.

L'évolution de la technologie THT vers la technologie SMT illustre la recherche constante de miniaturisation, d'automatisation et de performances électroniques supérieures. Bien que la technologie SMT domine aujourd'hui les produits fabriqués en grandes séries, les ingénieurs doivent toujours maîtriser les deux méthodes d'assemblage.

Le choix entre le montage en surface et le montage traversant ne se résume pas à opposer une ancienne technologie à une nouvelle. Il s'agit d'un compromis de conception essentiel qui affecte les performances électriques, la fiabilité mécanique, la gestion thermique et le coût global. Il est indispensable de savoir quand utiliser un connecteur THT robuste ou un processeur SMT haute densité pour concevoir des produits à la fois fonctionnels et durables.

Ce guide propose une comparaison technique complète des technologies SMT et THT afin d'aider les ingénieurs à prendre des décisions éclairées lors de la conception de PCB.

Technologie de montage en surface et technologie traversante: différences techniques

Après avoir examiné chaque technologie séparément, il convient de les comparer directement afin de prendre les bonnes décisions techniques. Le choix entre la technologie de montage en surface (SMT) et la technologie traversante (THT) affecte directement l'intégrité du signal, la fiabilité, la fabricabilité et le coût.

L'analyse des graphiques fournis conduit à une conclusion claire:

L'inductance parasite élevée de la technologie THT (10 nH) produit une impédance croissante qui bloque les signaux haute fréquence, tandis que sa capacité parasite élevée (2,0 pF) entraîne une impédance décroissante qui permet au bruit de provoquer de la diaphonie.

Grâce à des valeurs parasites inférieures d'un ordre de grandeur, soit 1,0 nH et 0,5 pF, la technologie de montage en surface évite ces deux problèmes d'intégrité du signal. La technologie SMT est donc indispensable et techniquement supérieure pour toute conception numérique haute vitesse ou RF.

Évolution de la réactance inductive avec la fréquence

Évolution de la réactance capacitive avec la fréquence

SMT et THT: principaux facteurs de performance

SMT et THT dans le processus de fabrication

Quand utiliser un assemblage SMT, THT ou hybride dans une conception électronique moderne?

Le choix entre SMT et THT ne doit normalement pas reposer sur une préférence, mais sur les exigences environnementales et techniques de l'application. Bien que la technologie SMT occupe incontestablement une place dominante dans la plupart des produits électroniques modernes, la technologie THT reste indispensable dans certaines applications.

Le choix de la technologie doit reposer sur les exigences de performances électriques, les contraintes mécaniques, la puissance à gérer et les volumes de production. Dans de nombreux cas, la solution la plus pertinente consiste à utiliser une combinaison de composants THT et de boîtiers SMT.

Applications de la technologie de montage en surface (SMT)

La technologie SMT est conçue pour les applications dans lesquelles l'objectif consiste à réduire les dimensions et à améliorer les performances à haute fréquence.

• Électronique haute densité: les empreintes minuscules des boîtiers SMT permettent de créer des produits miniaturisés tels que des smartphones, des modules IoT et des dispositifs médicaux portables. L'espace disponible est souvent très limité
• Circuits haute vitesse et RF: la faible inductance parasite des boîtiers SMT est physiquement indispensable au maintien de l'intégrité du signal dans les interfaces numériques haute vitesse, comme les mémoires DDR, et les systèmes RF, comme le Wi-Fi et la 5G

Applications de la technologie traversante (THT)

La technologie THT convient aux composants soumis à des contraintes mécaniques ou à des puissances élevées.

• Électronique de puissance: la technologie THT est utilisée pour les grands condensateurs, les transformateurs et les boîtiers de puissance, comme les TO-220, pouvant être vissés sur des dissipateurs thermiques afin de gérer des courants élevés et de dissiper la chaleur
• Interfaces mécaniques et environnements difficiles: l'ancrage mécanique du montage THT constitue un avantage important pour les connecteurs, les grands interrupteurs et les composants destinés aux applications automobiles ou industrielles devant résister aux vibrations, aux chocs et aux contraintes physiques
• Prototypage et réparation: la technologie THT se prête au brasage manuel, ce qui convient aux laboratoires, aux kits pédagogiques et aux circuits pour lesquels la facilité de maintenance sur le terrain constitue un critère de conception important

Applications hybrides, avec SMT et THT sur la même carte

Les PCB modernes utilisent fréquemment une technologie mixte afin d'optimiser la densité, la fiabilité et la gestion de la puissance:

• Appareils grand public: SMT pour tous les circuits intégrés et composants passifs, THT pour les connecteurs d'E/S et les ports de charge
• Contrôleurs industriels: microcontrôleurs et capteurs SMT associés à des relais et borniers THT
• Équipements de télécommunications: SMT pour les circuits haute fréquence, THT pour les connecteurs optiques et les entrées d'alimentation DC à courant élevé

JLCPCB propose des capacités d'assemblage hybride permettant aux concepteurs d'intégrer des circuits intégrés SMT, des composants de puissance THT et des connecteurs dans un même processus, sans retouche manuelle.

Qu'est-ce que la technologie de montage en surface?

Contrairement à la technologie traversante (THT), qui nécessite le perçage de trous, la technologie de montage en surface (SMT) consiste à braser directement les composants montés en surface (SMD) sur les pastilles en cuivre du PCB. Les composants SMT n'utilisent pas de longues broches, mais des bornes courtes, des pastilles ou des billes de soudure. Cela limite les effets parasites et permet de réaliser des PCB multicouches à haute densité.

Si la technologie THT constitue le socle historique de l'électronique et peut offrir une plus grande robustesse, la technologie SMT est le moteur moderne de la miniaturisation et des hautes performances. Elle domine aujourd'hui la conception et l'assemblage des PCB. Les concepteurs de PCB et les ingénieurs en systèmes embarqués doivent donc posséder des connaissances et une expérience fondamentales de la conception SMT.

Composants SMD montés sur un PCB

Dans l'assemblage moderne des PCB, la véritable valeur de la technologie de montage en surface (SMT) réside dans son évolutivité et son accessibilité. Au lieu d'investir massivement dans des lignes et des équipements SMT, les ingénieurs peuvent faire appel à des services professionnels tels que l'assemblage SMT de JLCPCB, qui associe le placement automatisé à haute vitesse, le brasage par refusion ainsi que les inspections AOI et par rayons X pour transformer rapidement les conceptions en prototypes fiables ou en cartes produites à grande échelle. Cette approche réduit les coûts, raccourcit les délais et garantit une qualité de fabrication constante.

Le processus d'assemblage SMT des PCB comprend:

1. Impression au pochoir: un pochoir en acier inoxydable comportant des ouvertures découpées au laser est positionné au-dessus du PCB. Une machine dépose à travers le pochoir une quantité prédéfinie de pâte à braser, composée de minuscules billes de soudure et de flux, sur chaque pastille de composant.

2. Pick-and-Place: la carte sur laquelle la pâte à braser a été imprimée passe dans une machine Pick-and-Place. Ce robot haute vitesse utilise des buses à vide pour saisir chaque composant SMD depuis des bobines ou des plateaux et le placer avec une très grande précision sur la pâte à braser adhésive.

3. Brasage par refusion: la carte assemblée, encore recouverte de pâte à braser, traverse un long four de refusion comportant plusieurs zones. La température est soigneusement contrôlée afin d'activer d'abord le flux, puis de faire fondre la pâte à braser.

4. Inspection: l'inspection optique automatisée (AOI) et l'inspection par rayons X pour les BGA et QFN garantissent la précision du placement et la qualité des joints de soudure.

Performances électriques de la technologie de montage en surface (SMT)

La faible longueur des interconnexions des composants SMT réduit considérablement les effets parasites:

• Inductance plus faible: pour un joint de soudure de 0,2 mm, l'inductance parasite est généralement inférieure à 1 nH, contre environ 10 nH pour une broche THT de 5 mm
• Capacité réduite: le faible espacement entre les pastilles minimise la capacité parasite et améliore l'intégrité du signal dans les circuits fonctionnant dans la plage des GHz
• Impédance contrôlée: les boîtiers SMT, comme les connecteurs RF de 50 Ω et les résistances puce, permettent une adaptation précise de l'impédance dans les conceptions numériques haute vitesse et RF

Exemple:
À 100 MHz, une inductance de 1 nH produit:

Cette valeur reste maîtrisable par rapport à la réactance de 62,8 Ω produite par une broche THT de 10 nH à la même fréquence.

Fiabilité thermique et mécanique de la technologie de montage en surface

• Cycles thermiques: les petits joints de soudure SMT sont plus sensibles que les composants THT traditionnels aux différences de dilatation entre le corps du composant, en céramique ou en plastique, et le substrat du PCB, en FR-4 ou en polyimide. Des cycles thermiques répétés peuvent provoquer des fissures de fatigue dans les joints de soudure, notamment dans les boîtiers BGA

• Vibrations et chocs: les joints SMT offrent un ancrage moins résistant que les composants THT. Certains composants, comme les MLCC, sont fragiles et peuvent se fissurer si la carte est pliée ou tombe. Les concepteurs utilisent couramment des matériaux d'underfill, comme de la résine époxy sous les BGA, ou des renforts de carte pour limiter les effets des vibrations et des chocs liés aux chutes

• Dissipation thermique: la capacité de gestion de la puissance des boîtiers SMT dépend des pastilles thermiques, sans broches traversantes pour faciliter la conduction de la chaleur. Les vias placés dans les pastilles permettent de transférer la chaleur vers les plans de cuivre internes. Par exemple, le montage d'un boîtier QFN à pastille exposée sur une matrice de vias thermiques peut réduire de 30 à 50% sa résistance thermique jonction-ambiante θJA

Types courants de boîtiers SMT

• Résistances et condensateurs puce → 0201, 0402, 0603, 0805
• Boîtiers de circuits intégrés → SOIC, TQFP, QFN, BGA
• Semi-conducteurs discrets → SOT-23, SOD-123
• Composants SMD spécialisés → filtres RF, capteurs MEMS, oscillateurs

Boîtiers SMD courants

Problèmes et limites courants de l'assemblage SMT

• Difficulté de l'assemblage manuel: le brasage ou le remplacement manuel de petits composants SMT exige une main stable et généralement un équipement de grossissement. Des outils de brasage SMD spécialisés, comme une station de retouche à air chaud, sont parfois nécessaires pour travailler en toute sécurité sans endommager les pastilles. Cela concerne particulièrement les boîtiers sans broches tels que les BGA et QFN

• Limites de dissipation thermique: contrairement aux boîtiers TO-220, les composants de puissance SMT ne possèdent pas de languettes métalliques permettant de fixer un dissipateur. Ils utilisent plutôt l'épaisseur du cuivre du PCB et des vias pour répartir la chaleur. Un routage mal conçu peut provoquer un emballement thermique

• Complexité de l'inspection: les joints de soudure des BGA et des boîtiers similaires sont situés sous le corps du composant. Les défauts tels que les vides, les défauts head-in-pillow et les soudures froides ne peuvent pas être contrôlés visuellement. Des systèmes d'inspection par rayons X sont donc nécessaires pour les détecter

• Difficultés de retouche: le retrait et le remplacement des circuits intégrés SMT à pas fin exigent une station de retouche à air chaud ou infrarouge. La carte doit d'abord être préchauffée, puis les composants sont retirés par application d'air chaud ou de chaleur infrarouge. Une chaleur excessive peut endommager les pastilles et rendre le circuit imprimé inutilisable

• Sensibilité à l'humidité: certains boîtiers SMT, notamment les BGA et QFN en plastique, peuvent absorber de l'humidité pendant leur stockage. S'ils sont brasés par refusion sans respecter les exigences d'étuvage correspondant à leur niveau de sensibilité à l'humidité (MSL), ils peuvent subir un phénomène de "popcorning". Celui-ci correspond à une délamination interne provoquée par la dilatation de la vapeur dans le boîtier

Qu'est-ce que la technologie traversante (THT)?

La technologie traversante (THT) est la première méthode normalisée de montage des composants électroniques. Elle consiste à percer des trous métallisés (PTH) dans le PCB, à y insérer les broches des composants, puis à les braser sur des pastilles de cuivre. La technologie THT reste la référence incontestée pour les applications exigeant une forte résistance mécanique et une puissance élevée.

Résistance traversante montée sur un PCB

Le processus d'assemblage THT diffère fondamentalement du processus SMT:

1. Perçage et métallisation: le PCB est percé et la surface intérieure des trous est métallisée avec du cuivre afin de former les PTH. La partie de l'anneau de cuivre entourant le trou sur les couches supérieure et inférieure est appelée couronne annulaire.

2. Insertion des broches des composants: les broches sont insérées dans les PTH manuellement ou de manière semi-automatisée. Cette étape influence fortement le coût et l'évolutivité du procédé.

3. Brasage: les composants sont brasés à la carte afin de former le circuit final. La production en série utilise le brasage à la vague, lors duquel la face inférieure de la carte passe au-dessus d'une vague de soudure fondue. Cette méthode soumet l'ensemble de la carte à d'importantes contraintes thermiques. Une solution plus récente et plus précise est le brasage sélectif, qui utilise une fontaine de soudure localisée pour relier uniquement les broches sélectionnées, réduisant ainsi le choc thermique subi par les composants fragiles situés ailleurs sur la carte.

La liaison métallurgique obtenue étend la soudure sur la broche et dans le fût du trou, créant un composé intermétallique (IMC) robuste avec la pastille du PCB. Pour certains types de contraintes, cette structure confère aux joints THT une meilleure fiabilité que les joints SMT.

Exemple de brasage traversant montrant les joints de soudure sur la face inférieure du PCB

Performances électriques de la technologie traversante (THT)

Malgré sa résistance mécanique, la technologie THT produit plusieurs effets parasites en raison de ses longues broches et de la géométrie des trous:

• Inductance parasite (L): les broches plus longues augmentent l'inductance de boucle, ce qui devient problématique dans les circuits fonctionnant à haute vitesse, au-dessus de 100 MHz
• Capacité parasite (C): les distances plus importantes entre les broches ainsi qu'entre les broches et la masse renforcent le couplage capacitif
• Réflexion du signal: dans les PCB haute fréquence, les vias provoquent une désadaptation d'impédance en se comportant comme des tronçons de ligne de transmission

Exemple:
Considérons une résistance traversante standard dont les broches mesurent 5 mm:

20 nH·cm⁻¹ représente ici une constante empirique correspondant à l'inductance typique d'un fil droit dans l'air.

À des fréquences suffisamment élevées, cette inductance se traduit par une réactance inductive:

À 100 MHz, cette inductance produit donc une réactance d'environ 6,28 Ω, suffisante pour déformer les signaux d'un circuit RF.

Fiabilité mécanique et thermique de la technologie traversante

• Résistance aux vibrations: les broches traversent la carte et assurent un ancrage plus solide que les pastilles montées en surface. Les secteurs de l'aérospatiale et de l'électronique automobile utilisent encore des composants THT dans les modules soumis aux vibrations
• Cycles thermiques: la quantité supérieure de soudure offre une masse thermique plus importante, ce qui réduit la sensibilité à la fatigue des joints
• Dissipation thermique: les boîtiers de type TO-220 s'appuient sur leurs broches et sur les dissipateurs auxquels ils sont fixés pour évacuer efficacement la puissance thermique

Comparaison de la durée de vie en fatigue des joints de soudure SMT et THT soumis à des cycles thermiques de -40°C à +125°C

Types courants de boîtiers traversants

• Axiaux, résistances et diodes: adaptés aux équipements automatisés d'insertion et de formage des broches
• Radiaux, condensateurs et LED: permettent un routage compact, mais nécessitent toujours un perçage
• Boîtiers Dual In-line (DIP): anciens boîtiers de circuits intégrés, généralement montés sur support
• TO-220 / TO-247: semi-conducteurs de puissance largement utilisés dans les alimentations à découpage et les commandes de moteur
• Connecteurs et relais à courant élevé: utilisés lorsque la résistance mécanique est plus importante que la densité

Limites de la technologie traversante dans la conception moderne de PCB

• Blocage du routage: les trous occupent les canaux de routage des couches internes, ce qui complique la conception de PCB multicouches à haute densité
• Coût d'assemblage: le perçage des trous peut représenter jusqu'à 30 à 40% du coût de fabrication d'un PCB en production de masse
• Densité réduite: le pas minimal des composants est d'environ 2,54 mm (0,1"), ce qui ne convient pas aux conceptions compactes actuelles
• Automatisation plus lente: il existe des machines Pick-and-Place pour les composants THT, mais elles sont beaucoup plus lentes et plus coûteuses que leurs équivalents SMT

Conclusion

La comparaison entre le montage en surface et le montage traversant ne consiste pas à désigner un vainqueur, mais à choisir l'outil adapté à chaque application.

La technologie de montage en surface (SMT) est incontestablement la mieux adaptée à la miniaturisation et aux performances haute fréquence. Elle est devenue le choix par défaut pour concevoir le coeur dense et haute vitesse des appareils électroniques modernes. La technologie traversante (THT), grâce à son meilleur ancrage mécanique et à sa capacité supérieure de gestion de la puissance, reste toutefois essentielle pour les connecteurs particulièrement robustes et les équipements électroniques de forte puissance assurant l'interface mécanique avec le monde réel.

Dans vos futurs projets de conception de PCB électroniques, le choix ne portera finalement pas sur une seule des deux technologies, SMT ou THT. Il reposera sur une solution hybride et sur l'art d'associer le montage en surface au montage traversant sur un même PCB afin de créer des produits finis qui restent compacts, performants et robustes.

FAQ

Q1: Quelle technologie offre la meilleure gestion thermique, SMT ou THT?

Aucune des deux technologies n'est intrinsèquement supérieure: elles gèrent simplement la chaleur de manière différente. Les composants traversants (THT) peuvent facilement être fixés à des dissipateurs externes ou utiliser leurs broches pour améliorer la conduction thermique. Les composants montés en surface (SMT) reposent quant à eux sur la conception thermique du PCB, notamment les vias thermiques, les plans de cuivre et les couches de répartition thermique, pour dissiper efficacement la chaleur.

Q2: Pourquoi les composants sont-ils parfois placés sur les deux faces d'un PCB?

Le placement des composants sur les deux faces constitue un avantage propre à la technologie de montage en surface (SMT), car il permet aux concepteurs d'obtenir une densité maximale. Cette possibilité est particulièrement importante dans les appareils électroniques miniaturisés tels que les smartphones, les objets IoT et les instruments médicaux compacts, où chaque millimètre carré de carte compte.

Q3: Quels sont les outils indispensables pour commencer à travailler avec des composants SMT?

Vous aurez au minimum besoin d'un fer à souder à température contrôlée équipé d'une panne fine, d'une pince de précision, de flux et de tresse à dessouder. Pour manipuler les boîtiers plus petits, l'ajout d'une loupe ou d'un microscope, d'une station de retouche à air chaud et d'un pochoir pour pâte à braser améliorera considérablement la précision et la sécurité.

Q4: Les versions SMT et THT d'un composant sont-elles électriquement identiques?

Pour leur fonction électrique principale, par exemple dans le cas d'une résistance de 1 kΩ, oui, leur comportement est identique. Leurs caractéristiques parasites diffèrent toutefois considérablement. Les résistances THT possèdent des broches plus longues, ce qui augmente leur inductance parasite et peut dégrader leurs performances dans les circuits haute fréquence ou RF. Les résistances SMT présentent des valeurs parasites beaucoup plus faibles et constituent donc le choix privilégié pour les conceptions haute vitesse.