stringtranslate.com

Технология поверхностного монтажа

Компоненты для поверхностного монтажа на плате USB-накопителя . Маленькие прямоугольные чипы с цифрами — это резисторы, а маленькие прямоугольные чипы без маркировки — конденсаторы. Изображенные на фото конденсаторы и резисторы имеют размер корпуса 0603 (метрический 1608), а также ферритовый шарик немного большего размера 0805 (метрический 2012) .
Конденсатор для поверхностного монтажа
MOSFET- транзистор , помещенный на британскую почтовую марку для сравнения размеров.

Технология поверхностного монтажа ( SMT ), первоначально называемая планарным монтажом , [1] представляет собой метод, при котором электрические компоненты монтируются непосредственно на поверхность печатной платы (PCB). [2] Электрический компонент, установленный таким образом, называется устройством поверхностного монтажа ( SMD ). В промышленности этот подход в значительной степени заменил метод установки компонентов по технологии сквозных отверстий , во многом потому, что SMT позволяет повысить автоматизацию производства, что снижает затраты и повышает качество. [3] Это также позволяет разместить больше компонентов на заданной площади 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 своего аналога для сквозного монтажа, поскольку он либо имеет меньшие выводы, либо вообще не имеет выводов. Он может иметь короткие контакты или выводы различных стилей, плоские контакты, матрицу из шариков припоя ( BGA ) или выводы на корпусе компонента.

История

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. [4] К концу 1990-х годов в подавляющем большинстве высокотехнологичных электронных печатных плат преобладали устройства поверхностного монтажа. Большая часть новаторской работы в этой технологии была проделана IBM . Подход к проектированию, впервые продемонстрированный IBM в 1960 году в небольшом компьютере, позже был применен в цифровом компьютере ракеты-носителя , используемом в приборном блоке , который управлял всеми транспортными средствами Saturn IB и Saturn V. [5] Компоненты были механически переработаны, чтобы иметь небольшие металлические выступы или торцевые заглушки, которые можно было припаивать непосредственно к поверхности печатной платы. Компоненты стали намного меньше, а размещение компонентов на обеих сторонах платы стало гораздо более распространенным при поверхностном монтаже, чем при монтаже через отверстия, что позволило значительно увеличить плотность схем и уменьшить размеры печатных плат и, в свою очередь, машин или узлов, содержащих платы.

Часто поверхностного натяжения припоя достаточно, чтобы удерживать детали на плате; в редких случаях детали на нижней или «второй» стороне платы могут быть закреплены каплей клея, чтобы предотвратить выпадение компонентов внутри печей оплавления , если вес детали превышает предел в 30 г на квадратный дюйм площади площадки. [6] Клей иногда используется для фиксации SMT-компонентов на нижней стороне платы, если для одновременной пайки как SMT, так и сквозных компонентов используется процесс пайки волной . В качестве альтернативы компоненты SMT и компоненты со сквозными отверстиями можно припаять на одной стороне платы без клея, если детали SMT сначала припаиваются оплавлением, а затем используется селективная паяльная маска, чтобы предотвратить оплавление припоя, удерживающего эти детали на месте, и детали уплывают при пайке волной. Поверхностный монтаж хорошо поддается высокой степени автоматизации, что снижает затраты на рабочую силу и значительно увеличивает производительность.

И наоборот, SMT плохо подходит для ручного или малоавтоматизированного изготовления, которое более экономично и быстрее для разового прототипирования и мелкосерийного производства, и это одна из причин, почему многие компоненты со сквозным отверстием все еще производятся. Некоторые SMD-элементы можно паять ручным паяльником с регулируемой температурой, но, к сожалению, те, которые очень малы или имеют слишком мелкий шаг выводов, невозможно припаять вручную без дорогостоящего оборудования для оплавления припоя горячим воздухом [ сомнительно — обсудить ] . SMD могут составлять от одной четверти до одной десятой размера и веса и от половины до одной четверти стоимости эквивалентных деталей со сквозным отверстием, но, с другой стороны, стоимость определенной детали SMT и эквивалента через сквозное отверстие Деталь с отверстиями может быть очень похожей, хотя деталь SMT редко бывает дороже.

Распространенные сокращения

Различные термины описывают компоненты, технику и машины, используемые в производстве. Эти термины перечислены в следующей таблице: [3]

Техника сборки

Сборочная линия с подъемно-транспортными машинами
Линия сборки печатных плат: машина для захвата и размещения, а затем печь для пайки SMT

Там, где необходимо разместить компоненты, на печатной плате обычно имеются плоские, обычно оловянно -свинцовые, серебряные или позолоченные медные площадки без отверстий, называемые площадками для пайки . Паяльная паста , липкая смесь флюса и крошечных частиц припоя, сначала наносится на все площадки припоя 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 оклейки доски поступают на подъемно-транспортные машины , где укладываются на конвейер. Компоненты, размещаемые на платах, обычно поставляются на производственную линию в виде бумажных/пластиковых лент, намотанных на катушки, или в пластиковых трубках. Некоторые крупные 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. [7]

Затем платы транспортируются в печь для пайки оплавлением . Сначала они попадают в зону предварительного нагрева, где температура платы и всех компонентов постепенно и равномерно повышается, чтобы предотвратить тепловой удар. Затем платы попадают в зону, где температура достаточно высока, чтобы расплавить частицы припоя в паяльной пасте, соединяя выводы компонента с контактными площадками на печатной плате. Поверхностное натяжение расплавленного припоя помогает удерживать компоненты на месте, и если геометрия площадок для припоя рассчитана правильно, поверхностное натяжение автоматически выравнивает компоненты на своих площадках.

Существует несколько методов оплавления припоя. Один из них — использовать инфракрасные лампы; это называется инфракрасным оплавлением. Другой вариант – использовать конвекцию горячего газа . Другая технология, которая снова становится популярной, — это специальные фторуглеродные жидкости с высокими температурами кипения, в которых используется метод, называемый оплавления в паровой фазе. Из-за проблем с окружающей средой этот метод вышел из употребления до тех пор, пока не был принят закон о бессвинцовой пайке, который требует более жесткого контроля за пайкой. В конце 2008 года конвекционная пайка была самой популярной технологией оплавления с использованием стандартного воздуха или азота. Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки. При использовании инфракрасной оплавки разработчик платы должен расположить плату так, чтобы короткие компоненты не попадали в тень высоких компонентов. Расположение компонентов менее ограничено, если проектировщик знает, что в производстве будет использоваться оплавление в паровой фазе или конвекционная пайка. После пайки оплавлением некоторые нестандартные или термочувствительные компоненты можно устанавливать и паять вручную или в крупномасштабной автоматизации с помощью сфокусированного инфракрасного луча (FIB) или локализованного конвекционного оборудования.

Если печатная плата двусторонняя, то процесс печати, размещения и оплавления можно повторить, используя либо паяльную пасту, либо клей для удержания компонентов на месте. Если используется процесс пайки волновой пайкой , то перед обработкой детали необходимо приклеить к плате, чтобы они не отплыли при расплавлении удерживающей их паяльной пасты.

После пайки платы можно промыть, чтобы удалить остатки флюса и случайные шарики припоя, которые могут закоротить близко расположенные выводы компонентов. Канифольный флюс удаляется с помощью фторуглеродных растворителей, углеводородных растворителей с высокой температурой вспышки или растворителей с низкой температурой вспышки, например, лимонена (полученного из апельсиновых корок), которые требуют дополнительных циклов промывки или сушки. Водорастворимые флюсы удаляются деионизированной водой и моющим средством с последующей обдувкой воздухом для быстрого удаления остатков воды. Однако большинство электронных сборок изготавливаются с использованием процесса «без очистки», при котором остатки флюса остаются на печатной плате, поскольку они считаются безвредными. Это экономит затраты на очистку, ускоряет производственный процесс и сокращает количество отходов. Однако обычно рекомендуется промывать сборку, даже если используется процесс «Без очистки», когда приложение использует очень высокочастотные тактовые сигналы (свыше 1 ГГц). Еще одной причиной удаления остатков, не требующих очистки, является улучшение адгезии конформных покрытий и материалов подсыпки. [8] Независимо от того, очищать или нет эти печатные платы, текущая тенденция в отрасли предлагает тщательно пересмотреть процесс сборки печатных плат, в котором применяется «без очистки», поскольку остатки флюса, попавшие под компоненты и радиочастотные экраны, могут повлиять на сопротивление поверхностной изоляции (SIR), особенно на платах с высокой плотностью компонентов. [9]

Некоторые производственные стандарты, например стандарты, разработанные IPC (Ассоциацией производителей электроники), требуют очистки независимо от типа используемого припоя, чтобы обеспечить тщательную очистку платы. Правильная очистка удаляет все следы паяльного флюса, а также грязь и другие загрязнения, которые могут быть невидимы невооруженным глазом. No-Clean или другие процессы пайки могут оставлять «белые остатки», которые, согласно IPC, являются приемлемыми, «при условии, что эти остатки квалифицированы и задокументированы как безопасные». [10] Однако, хотя ожидается, что магазины, соответствующие стандарту IPC, будут соблюдать правила Ассоциации в отношении состояния бортов, не все производственные предприятия применяют стандарт IPC, и они не обязаны это делать. Кроме того, в некоторых приложениях, таких как дешевая электроника, такие строгие методы производства являются чрезмерными как по затратам, так и по времени.

Наконец, платы визуально проверяются на наличие отсутствующих или смещенных компонентов, а также паяных перемычек. [11] [12] При необходимости они отправляются на станцию ​​доработки, где оператор 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 при производстве печатных плат. Эта технология доказала свою высокую эффективность для улучшения процессов и достижения качества. [13]

Преимущества

SMD резисторы в оригинальной упаковке – такая упаковка позволяет использовать их в монтажном станке.

Основными преимуществами SMT по сравнению с более старым методом сквозного монтажа являются: [14] [15]

Недостатки

Переработка

Снятие устройства поверхностного монтажа с помощью паяльного пинцета

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

Переработка обычно исправляет тот или иной тип ошибок, сгенерированных человеком или машиной, и включает в себя следующие этапы:

Иногда приходится ремонтировать сотни или тысячи одних и тех же деталей. Такие ошибки, если они связаны со сборкой, часто выявляются в процессе. Однако совершенно новый уровень доработок возникает, когда отказ компонента обнаруживается слишком поздно и, возможно, остается незамеченным до тех пор, пока с этим не столкнется конечный пользователь производимого устройства. Переработку также можно использовать, если продукты, имеющие достаточную ценность, чтобы оправдать ее, требуют доработки или реинжиниринга, например, для изменения одного компонента встроенного ПО. Переработка в больших объемах требует операции, предназначенной для этой цели.

По сути, существует два метода бесконтактной пайки/распайки: инфракрасная пайка и пайка горячим газом. [21]

Инфракрасный

При инфракрасной пайке энергия для нагрева паяного соединения передается длинно-, средне- или коротковолновым инфракрасным электромагнитным излучением.

Преимущества:

Недостатки:

Горячий газ

При пайке горячим газом энергия для нагрева паяного соединения передается горячим газом. Это может быть воздух или инертный газ ( азот ).

Преимущества:

Недостатки:

Гибридная технология

Гибридные ремонтные системы сочетают средневолновое инфракрасное излучение с горячим воздухом.

Преимущества:

Недостатки

Пакеты

Включены примеры размеров компонентов, метрические и британские коды для корпусов с двумя клеммами и сравнение.

Компоненты для поверхностного монтажа обычно меньше своих аналогов с выводами и предназначены для использования машинами, а не людьми. В электронной промышленности существуют стандартизированные формы и размеры упаковок (ведущий орган по стандартизации — JEDEC ).

Идентификация

Резисторы
Для точности 5% резисторы SMD обычно маркируются значениями сопротивления с использованием трех цифр: двух значащих цифр и цифры множителя. Зачастую это белые буквы на черном фоне, но можно использовать и другие цветные фоны и надписи. Для резисторов SMD с точностью до 1% используется код, поскольку в противном случае три цифры не передают достаточно информации. Этот код состоит из двух цифр и буквы: цифры обозначают положение значения в серии значений E96 , а буква указывает множитель. [22]
Конденсаторы
Неэлектролитические конденсаторы обычно не имеют маркировки и единственным надежным методом определения их номинала является удаление из схемы и последующее измерение измерителем емкости или импедансным мостом. Материалы, используемые для изготовления конденсаторов, такие как танталат никеля, имеют разные цвета, и это может дать приблизительное представление о емкости компонента. [ нужна ссылка ] Обычно физический размер пропорционален емкости и (квадрату) напряжения для одного и того же диэлектрика. Например, конденсатор емкостью 100 нФ, 50 В может поставляться в той же упаковке, что и устройство емкостью 10 нФ, 150 В. SMD (неэлектролитические) конденсаторы, которые обычно представляют собой монолитные керамические конденсаторы, имеют одинаковый цвет корпуса на всех четырех сторонах, не закрытых торцевыми крышками. Электролитические конденсаторы SMD, обычно танталовые, и пленочные конденсаторы маркируются как резисторы, двумя значащими цифрами и множителем в пикофарадах или пФ (10–12 фарад ).
Индукторы
Меньшая индуктивность с умеренно высокими номинальными токами обычно относится к типу ферритовых шариков. Они представляют собой просто металлический проводник, продетый через ферритовую бусину, и почти такие же, как и их версии со сквозными отверстиями, но имеют торцевые крышки SMD, а не выводы. Они имеют темно-серый цвет и являются магнитными, в отличие от конденсаторов аналогичного темно-серого цвета. Эти типы ферритовых шариков ограничены небольшими значениями в диапазоне наногенри (нГн) и часто используются в качестве развязывающих устройств для шин питания или в высокочастотных частях схемы. Разумеется, катушки индуктивности и трансформаторы большего размера могут быть установлены через отверстия на одной и той же плате. Индукторы SMT с большими значениями индуктивности часто имеют витки проволоки или плоскую полоску вокруг корпуса или залиты прозрачной эпоксидной смолой, что позволяет видеть проволоку или полоску. Иногда присутствует также ферритовый сердечник . Эти типы с более высокой индуктивностью часто ограничиваются небольшими номинальными токами, хотя некоторые типы плоских ремешков могут выдерживать несколько ампер. Как и в случае с конденсаторами, номиналы компонентов и идентификаторы индукторов меньшего размера обычно не отмечаются на самом компоненте; если они не задокументированы или не напечатаны на печатной плате, измерение, обычно удаленное из схемы, является единственным способом их определения. На индукторах большего размера, особенно с проволочной обмоткой и большей площадью основания, значение обычно указывается вверху. Например, «330», что соответствует значению 33 мкГн . 
Дискретные полупроводники
Дискретные полупроводники, такие как диоды и транзисторы, часто маркируются двух- или трехсимвольным кодом. Один и тот же код, указанный на разных упаковках или устройствах разных производителей, может быть переведен на разные устройства. Многие из этих кодов, используемые потому, что устройства слишком малы, чтобы их можно было маркировать более традиционными номерами, используемыми на более крупных упаковках, при просмотре корреляционного списка коррелируют с более знакомыми традиционными номерами деталей. GM4PMK в Соединенном Королевстве подготовила корреляционный список, аналогичный список в формате .pdf также доступен, хотя эти списки не являются полными.
Интегральные схемы
Как правило, корпуса интегральных схем достаточно велики, чтобы на них был напечатан полный номер детали, который включает в себя конкретный префикс производителя или значительную часть номера детали, а также название или логотип производителя .

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Уильямс, Пол, изд. (1999). Состояние деятельности и план действий технологической отрасли (PDF) . Технология поверхностного монтажа. Совет поверхностного монтажа. Архивировано (PDF) из оригинала 28 декабря 2015 г.
  2. ^ «Технология поверхностного монтажа - обзор | Темы ScienceDirect» . www.sciencedirect.com . Проверено 30 сентября 2022 г.
  3. ^ Ab Staff, History Computer (19 мая 2022 г.). «(SMT) Технология поверхностного монтажа: значение, определение и примеры». История-Компьютер . Проверено 30 сентября 2022 г.
  4. ^ Гарнер, Р.; Тейлор, Д. (1 мая 1986 г.). «Упаковка для поверхностного монтажа». Журнал микроэлектроники . 17 (3): 5–13. дои : 10.1016/S0026-2692(86)80170-7. ISSN  0026-2692 . Проверено 19 января 2021 г.
  5. ^ Шнеевайс, Скотт. Артефакт: память и печатные платы цифрового компьютера, LVDC, наведение, навигация и управление Saturn IB/V. Космоголик. Архивировано из оригинала 28 декабря 2015 г. Проверено 28 декабря 2015 г. {{cite book}}: |work=игнорируется ( помощь )
  6. ^ «Оплавление двусторонней сборки» . ПРОЦЕСС МОНТАЖА НА ПОВЕРХНОСТЬ . Проверено 16 сентября 2020 г.
  7. ^ Йена, Ханингс (4 января 2016 г.). «Сборка печатной платы – Описание». www.ourpcb.com . Проверено 7 февраля 2018 г.
  8. ^ «Почему чистить, не чистить?». Журнал «Ассамблея» . Проверено 3 октября 2017 г.
  9. ^ «Без очистки — это процесс, а не продукт» . www.ipc.org . Проверено 3 октября 2017 г.
  10. ^ IPC-A-610E, параграф 10.6.3.
  11. ^ Айоделе, Абиола. «SMT-производство: все, что вам нужно знать». Веволвер . Проверено 30 сентября 2022 г.
  12. ^ «Производитель печатных плат с изготовлением печатных плат HDI для печатных плат и печатных плат» . www.hemeixinpcb.com . Проверено 30 сентября 2022 г.
  13. ^ Виториано, Педро (июнь 2016 г.). «3D-реконструкция паяных соединений на SMD на основе 2D-изображений». Журнал СМТ . стр. 82–93.
  14. ^ Дас, Сантош (01 октября 2019 г.). «Преимущества и недостатки технологии поверхностного монтажа». Учебное пособие по электронике | Лучший веб-сайт с учебными пособиями по электронике . Проверено 30 сентября 2022 г.
  15. ^ Команда, ВСЕ | Инженерное дело (07.05.2020). «Преимущества и недостатки технологии поверхностного монтажа при сборке печатных плат». ВСЕ . Проверено 30 сентября 2022 г.
  16. ^ Монтроуз, Марк I. (1999). «Компоненты и ЭМС». ЭМС и печатная плата: дизайн, теория и компоновка стали проще . Уайли-Интерсайенс . п. 64. ИСБН 978-0780347038.
  17. ^ Джадд, Майк; Бриндли, Кейт (1999). «Процессы пайки CS». Пайка в сборке электроники (2-е изд.). Ньюнес . п. 128. ИСБН 978-0750635455.
  18. ^ Уильямс, Джим (1991). Методы высокоскоростных усилителей — помощник разработчика широкополосных схем (PDF) . Линейная технология . стр. 26–29, 98–121. Архивировано (PDF) из оригинала 28 декабря 2015 г. Проверено 28 декабря 2015 г. {{cite book}}: |work=игнорируется ( помощь )
  19. ^ Доктор Ли, Нин-Чэн; Ханс, Ванда Б. (1993). «Механизмы опорожнения в SMT». Технический документ Индийской корпорации . Проверено 28 декабря 2015 г.
  20. ^ ДерМардеросян, Аарон; Жионе, Винсент (1983). «Эффект захваченных пузырьков в припое, используемом для крепления безвыводных керамических держателей чипов». Симпозиум по физике надежности : 235–241. дои :10.1109/IRPS.1983.361989. ISSN  0735-0791. S2CID  11459596.
  21. ^ «Два распространенных метода нагрева для ремонтных работ — какой из них лучше?» smt.iconnect007.com . Проверено 27 июля 2018 г.
  22. ^ «Код резистора SMD» . Руководство по резисторам. Архивировано из оригинала 28 декабря 2015 г. Проверено 28 декабря 2015 г.
Викискладе есть медиафайлы, связанные с технологией поверхностного монтажа .