Технология поверхностного монтажа

редактировать

Компоненты для поверхностного монтажа на печатной плате USB-накопителя. Маленькие прямоугольные чипы с номерами являются резисторами, а маленькие прямоугольные чипы без маркировки - конденсаторами. Изображенные конденсаторы и резисторы имеют размер корпуса 0603 (1608 метрических единиц), а также очень немного увеличенный ферритовый шарик 0805 (метрическая система 2012 года).

Конденсатор для поверхностного монтажа

МОП - транзистор, размещают на британской почтовой марки для сравнения размеров.

Технология поверхностного монтажа ( SMT) - это метод, при котором электрические компоненты устанавливаются непосредственно на поверхность печатной платы (PCB). Электрический компонент, установленный таким образом, называется устройством для поверхностного монтажа ( SMD). В промышленности этот подход в значительной степени заменил технологию сквозного отверстия. Конструктивный метод установки компонентов, в значительной степени потому, что SMT позволяет повысить автоматизацию производства, что снижает стоимость и улучшает качество. Это также позволяет разместить больше компонентов на заданной области подложки. Обе технологии могут использоваться на одной плате, при этом технология сквозных отверстий часто используется для компонентов, не подходящих для поверхностного монтажа, таких как большие трансформаторы и силовые полупроводники с теплоотводом.

Компонент SMT обычно меньше, чем его аналог со сквозным отверстием, потому что он либо имеет меньшие выводы, либо вообще не имеет выводов. Он может иметь короткие штыри или выводы различных стилей, плоские контакты, матрицу шариков припоя ( BGA ) или выводы на корпусе компонента.

СОДЕРЖАНИЕ

1 История
2 Общие сокращения
3 Техника сборки
4 преимущества
5 Недостатки
6 Доработка
- 6.1 Инфракрасный
- 6.2 Горячий газ
7 пакетов
8 Идентификация
9 См. Также
10 Ссылки

История

Изначально поверхностный монтаж назывался «планарный монтаж».

Технология поверхностного монтажа была разработана в 1960-х годах. К 1986 году компоненты для поверхностного монтажа составляли не более 10% рынка, но быстро набирали популярность. К концу 1990-х годов в подавляющем большинстве высокотехнологичных электронных печатных плат преобладали устройства для поверхностного монтажа. Большая часть новаторских работ в этой технологии была сделана IBM. Подход к проектированию впервые продемонстрирована IBM в 1960 году в небольшом масштабе компьютере был впоследствии применен в Launch Vehicle ЦВМ, используемую в Unit инструментов, которым руководствовались все Сатурн IB и Сатурн V транспортных средств. Компоненты были механически переработаны, чтобы иметь небольшие металлические выступы или торцевые крышки, которые можно было припаять непосредственно к поверхности печатной платы. Компоненты стали намного меньше, и размещение компонентов на обеих сторонах платы стало гораздо более распространенным при поверхностном монтаже, чем при установке в сквозное отверстие, что позволило значительно повысить плотность схем и меньшие печатные платы и, в свою очередь, машины или подсборки, содержащие платы.

Часто поверхностного натяжения припоя достаточно, чтобы удерживать детали на плате; в редких случаях детали на нижней или «второй» стороне платы могут быть закреплены с помощью точки клея, чтобы предотвратить падение компонентов внутри печей оплавления, если размер детали превышает 30 г на квадратный дюйм площади площадки. Клей иногда используется для удержания компонентов SMT на нижней стороне платы, если процесс пайки волной припоя используется для одновременной пайки компонентов SMT и сквозных отверстий. В качестве альтернативы компоненты SMT и сквозные отверстия могут быть припаяны на одной стороне платы без клея, если детали SMT сначала припаяны оплавлением, затем используется маска селективной пайки для предотвращения оплавления припоя, удерживающего эти части на месте, и части, расплывающиеся во время пайки волной. Поверхностный монтаж хорошо поддается высокой степени автоматизации, сокращению затрат на рабочую силу и значительному увеличению производительности.

Напротив, SMT плохо подходит для ручного производства или изготовления с низкой степенью автоматизации, что экономичнее и быстрее для разового прототипирования и мелкосерийного производства, и это одна из причин, почему многие компоненты со сквозным отверстием все еще производятся. Некоторые SMD можно паять с помощью ручного паяльника с регулируемой температурой, но, к сожалению, те, которые очень малы или имеют слишком мелкий шаг выводов, невозможно паять вручную без дорогостоящего оборудования для пайки горячим воздухом. SMD могут составлять от одной четверти до одной десятой размера и веса, а также от половины до четверти стоимости эквивалентных деталей со сквозным отверстием, но, с другой стороны, стоимость определенной детали SMT и эквивалентных деталей со сквозным отверстием может быть меньше. -отверстие может быть очень похожим, хотя редко бывает дороже SMT-часть.

Общие сокращения

Различные термины описывают компоненты, технику и машины, используемые в производстве. Эти термины перечислены в следующей таблице:

Срок SMp	Расширенная форма
SMD	Устройства для поверхностного монтажа (активные, пассивные и электромеханические компоненты)
SMT	Технология поверхностного монтажа (технология сборки и монтажа)
SMA	Монтаж на поверхность (модуль в сборе с SMT)
SMC	Компоненты для поверхностного монтажа (компоненты для SMT)
SMP	Корпуса для поверхностного монтажа (формы для SMD-корпусов)
МСП	Оборудование для поверхностного монтажа (монтажные машины SMT)

Техника сборки

Сборочная линия с подъёмными машинами

Там, где должны быть размещены компоненты, на печатной плате обычно имеются плоские, обычно оловянно- свинцовые, серебряные или позолоченные медные контактные площадки без отверстий, называемые контактными площадками для пайки. Паяльная паста, липкая смесь флюса и крошечных частиц припоя, сначала наносится на все контактные площадки с помощью трафарета из нержавеющей стали или никеля с использованием процесса трафаретной печати. Его также можно наносить с помощью механизма струйной печати, аналогичного струйному принтеру. После склеивания доски поступают на подъемно-загрузочные машины, где помещаются на конвейерную ленту. Компоненты, которые должны быть размещены на платах, обычно доставляются на производственную линию либо в бумажных / пластиковых лентах, намотанных на катушки, либо в пластиковых тубах. Некоторые большие интегральные схемы поставляются в антистатических лотках. Машины для захвата и размещения с числовым программным управлением снимают детали с лент, трубок или лотков и помещают их на печатную плату.

Затем платы перемещаются в печь для пайки оплавлением. Сначала они попадают в зону предварительного нагрева, где температура платы и всех компонентов постепенно и равномерно повышается для предотвращения теплового удара. Затем платы попадают в зону, где температура достаточно высока, чтобы расплавить частицы припоя в паяльной пасте, и соединение компонента приводит к контактным площадкам на печатной плате. Поверхностное натяжение расплавленного припоя помогает удерживать компоненты на месте, и, если геометрия площадок для пайки спроектирована правильно, поверхностное натяжение автоматически выравнивает компоненты на их площадках.

Существует ряд методов оплавления припоя. Один - использовать инфракрасные лампы; это называется инфракрасным оплавлением. Другой - использовать конвекцию горячего газа. Еще одна технология, которая снова становится популярной, - это специальные фторуглеродные жидкости с высокими температурами кипения, в которых используется метод, называемый оплавлением в паровой фазе. Из-за проблем с окружающей средой этот метод терял популярность до тех пор, пока не было введено законодательство о бессвинцовой пайке, требующее более строгого контроля над пайкой. В конце 2008 года конвекционная пайка была самой популярной технологией оплавления с использованием стандартного воздуха или азота. У каждого метода есть свои преимущества и недостатки. При инфракрасном оплавлении разработчик платы должен расположить плату так, чтобы короткие компоненты не падали в тени высоких компонентов. Расположение компонентов менее ограничено, если разработчик знает, что при производстве будет использоваться пайка оплавлением в паровой фазе или конвекционная пайка. После пайки оплавлением некоторые нестандартные или термочувствительные компоненты могут быть установлены и припаяны вручную или в крупномасштабной автоматизации с помощью сфокусированного инфракрасного луча (FIB) или оборудования для локальной конвекции.

Если печатная плата двусторонняя, то процесс печати, размещения и оплавления можно повторить с использованием паяльной пасты или клея для фиксации компонентов на месте. Если используется процесс пайки волной припоя, то перед обработкой детали должны быть приклеены к плате, чтобы они не выплыли, когда паяльная паста, удерживающая их на месте, расплавится.

После пайки платы можно мыть, чтобы удалить остатки флюса и любые случайные шарики припоя, которые могут закоротить близко расположенные выводы компонентов. Канифольный флюс удаляется фторуглеродными растворителями, углеводородными растворителями с высокой температурой вспышки или растворителями с низкой температурой вспышки, например лимоненом (полученным из апельсиновой корки), которые требуют дополнительных циклов промывки или сушки. Водорастворимые флюсы удаляются деионизированной водой и детергентом, после чего производится продувка воздухом для быстрого удаления остаточной воды. Однако большинство электронных сборок производятся с использованием процесса «без очистки», при котором остатки флюса должны оставаться на печатной плате, поскольку они считаются безвредными. Это экономит затраты на очистку, ускоряет производственный процесс и сокращает количество отходов. Однако обычно рекомендуется мыть сборку, даже если используется процесс «без очистки», когда приложение использует очень высокочастотные тактовые сигналы (более 1 ГГц). Еще одна причина для удаления неочищенных остатков - это улучшение адгезии конформных покрытий и материалов для заливки. Независимо от того, очищаются ли эти печатные платы или нет, текущая отраслевая тенденция предлагает тщательно изучить процесс сборки печатных плат, в котором применяется метод «без очистки», поскольку остатки флюса, захваченные под компонентами и радиочастотными экранами, могут повлиять на сопротивление изоляции поверхности (SIR), особенно на компонентах с высоким содержанием компонентов. Плотность досок.

Некоторые производственные стандарты, например, разработанные IPC - Association Connecting Electronics Industries, требуют очистки независимо от типа припоя, используемого для обеспечения тщательной очистки платы. Правильная очистка удаляет все следы припоя, а также грязь и другие загрязнения, которые могут быть невидимы невооруженным глазом. Без очистки или другие процессы пайки могут оставлять «белые остатки», которые, согласно IPC, являются приемлемыми, «при условии, что эти остатки были квалифицированы и задокументированы как безопасные». Однако, хотя ожидается, что магазины, соответствующие стандарту IPC, будут придерживаться правил Ассоциации в отношении условий на борту, не все производственные предприятия применяют стандарт IPC и не обязаны это делать. Кроме того, в некоторых приложениях, таких как электроника начального уровня, такие строгие методы производства являются чрезмерными как по стоимости, так и по времени.

Наконец, платы визуально проверяются на отсутствие или смещение компонентов, а также на наличие перемычек при пайке. При необходимости их отправляют на ремонтную станцию, где оператор-человек исправляет любые ошибки. Затем их обычно отправляют на испытательные станции ( внутрисхемное тестирование и / или функциональное тестирование) для проверки правильности их работы.

Системы автоматизированного оптического контроля (AOI) обычно используются в производстве печатных плат. Эта технология доказала свою высокую эффективность для улучшения процессов и достижения качества.

Преимущества

Основными преимуществами SMT по сравнению с более старой техникой сквозного отверстия являются:

Компоненты меньшего размера.
Гораздо более высокая плотность компонентов (компонентов на единицу площади) и гораздо больше соединений на компонент.
Компоненты можно размещать с обеих сторон печатной платы.
Более высокая плотность соединений, поскольку отверстия не блокируют пространство для маршрутизации на внутренних слоях или на слоях задней стороны, если компоненты установлены только на одной стороне печатной платы.
Небольшие ошибки в размещении компонентов исправляются автоматически, поскольку поверхностное натяжение расплавленного припоя подтягивает компоненты к выравниванию с контактными площадками. (С другой стороны, компоненты со сквозным отверстием не могут быть слегка смещены, потому что после того, как провода проходят через отверстия, компоненты полностью выровнены и не могут смещаться в сторону от совмещения.)
Лучшие механические характеристики в условиях ударов и вибрации (частично из-за меньшей массы, а частично из-за меньшего консольного крепления)
Меньшее сопротивление и индуктивность в соединении; следовательно, меньше нежелательных эффектов радиочастотного сигнала и лучшие и более предсказуемые высокочастотные характеристики.
Лучшие характеристики ЭМС (меньшее излучаемое излучение) за счет меньшей площади контура излучения (из-за меньшего размера корпуса) и меньшей индуктивности выводов.
Необходимо просверлить меньше отверстий. (Сверление печатных плат занимает много времени и дорого.)
Снижение начальных затрат и времени на установку в серийное производство с использованием автоматизированного оборудования.
Более простой и быстрый автоматизированный монтаж. Некоторые установочные машины способны размещать более 136 000 компонентов в час.
Многие детали SMT стоят меньше, чем эквивалентные детали для сквозных отверстий.

Недостатки

SMT может быть непригодным в качестве единственного метода крепления для компонентов, которые подвергаются частым механическим нагрузкам, таких как разъемы, которые используются для взаимодействия с внешними устройствами, которые часто подключаются и отключаются.
Паяные соединения SMD могут быть повреждены заливочными компаундами, подвергающимися термоциклированию.
Ручная сборка прототипа или ремонт на уровне компонентов сложнее и требует квалифицированных операторов и более дорогих инструментов из-за небольших размеров и расстояний между выводами многих SMD. Работа с небольшими компонентами для поверхностного монтажа может быть затруднена, и для этого потребуется пинцет, в отличие от почти всех компонентов со сквозным отверстием. В то время как компоненты со сквозными отверстиями останутся на месте (под действием силы тяжести) после вставки и могут быть механически закреплены перед пайкой путем отгибания двух выводов на стороне пайки платы, SMD легко перемещаются с места прикосновением к пайке. железо. Без специальных навыков при ручной пайке или распайке компонента легко случайно оплавить припой соседнего SMT-компонента и непреднамеренно сместить его, что практически невозможно сделать с компонентами со сквозными отверстиями.
Многие типы пакетов компонентов SMT не могут быть установлены в гнезда, что обеспечивает легкую установку или замену компонентов для изменения схемы и легкую замену вышедших из строя компонентов. (Практически все сквозные компоненты могут быть вставлены в гнезда.)
SMD нельзя использовать напрямую со сменными макетами (инструмент для быстрого создания прототипов), требуя либо специальной печатной платы для каждого прототипа, либо установки SMD на держателе с выводными выводами. Для создания прототипа конкретного SMD-компонента можно использовать менее дорогую коммутационную плату. Кроме того, можно использовать прототипы полосовой доски, некоторые из которых включают площадки для SMD-компонентов стандартного размера. Для прототипирования можно использовать макет « мертвого жучка ».
Размеры паяных соединений в SMT быстро становятся намного меньше по мере продвижения технологии сверхмалого шага. Надежность паяных соединений становится все более серьезной проблемой, поскольку для каждого соединения разрешается все меньше и меньше припоя. Пустоты - это неисправность, обычно связанная с паяными соединениями, особенно при оплавлении паяльной пасты в приложениях для поверхностного монтажа. Наличие пустот может ухудшить прочность сустава и в конечном итоге привести к его разрушению.
SMD, как правило, меньше, чем эквивалентные компоненты со сквозным отверстием, имеют меньшую площадь поверхности для маркировки, требуя, чтобы коды маркировки деталей или значения компонентов были более загадочными и меньшими, часто требуя увеличения для считывания, тогда как компонент со сквозным отверстием большего размера может быть прочитал и опознал невооруженным глазом. Это недостаток для прототипирования, ремонта, доработки, обратного проектирования и, возможно, для настройки производства.

Переделка

Удаление устройства для поверхностного монтажа с помощью пинцета для пайки Основная статья: Переделка (электроника)

Неисправные компоненты для поверхностного монтажа можно отремонтировать с помощью паяльника (для некоторых соединений) или с помощью системы бесконтактной доработки. В большинстве случаев система доработки является лучшим выбором, потому что работа SMD с паяльником требует значительных навыков и не всегда осуществима.

Переработка обычно исправляет ошибки определенного типа, созданные человеком или машиной, и включает в себя следующие шаги:

Расплавить припой и удалить компонент (ы)
Удалите остатки припоя
Печать паяльной пасты на печатной плате напрямую или путем дозирования
Поместите новый компонент и переформатируйте.

Иногда в ремонте нуждаются сотни или тысячи одинаковых деталей. Такие ошибки, если они возникли по причине сборки, часто выявляются в процессе. Однако совершенно новый уровень доработки возникает, когда отказ компонента обнаруживается слишком поздно и, возможно, остается незамеченным до тех пор, пока конечный пользователь производимого устройства не испытает его. Доработка также может быть использована, если продукты, имеющие достаточную ценность, чтобы оправдать ее, требуют пересмотра или реинжиниринга, возможно, для изменения одного компонента на основе микропрограмм. Для переделки большого объема требуется операция, предназначенная для этой цели.

По сути, существует два метода бесконтактной пайки / распайки: инфракрасная пайка и пайка горячим газом.

Инфракрасный

При инфракрасной пайке энергия для нагрева паяного соединения передается с помощью длинноволнового или коротковолнового инфракрасного электромагнитного излучения.

Преимущества:

Легкая установка
Сжатый воздух не требуется
Отсутствие необходимости в различных форсунках для компонентов многих форм и размеров, что снижает стоимость и необходимость замены форсунок.
Быстрая реакция источника инфракрасного излучения (зависит от используемой системы)

Недостатки:

Центральные зоны будут обогреваться больше, чем периферийные.
Контроль температуры менее точен, могут быть пики
Соседние компоненты должны быть защищены от тепла, чтобы предотвратить повреждение, что требует дополнительного времени для каждой платы.
Температура поверхности зависит от альбедо компонента: темные поверхности нагреваются сильнее, чем светлые.
Температура дополнительно зависит от формы поверхности. Конвективная потеря энергии снижает температуру компонента.
Атмосфера оплавления невозможна

Горячий газ

Во время пайки горячим газом энергия для нагрева паяного соединения передается горячим газом. Это может быть воздух или инертный газ ( азот ).