stringtranslate.com

Технология поверхностного монтажа

Компоненты поверхностного монтажа на печатной плате USB-флешки . Маленькие прямоугольные чипы с номерами — это резисторы, а немаркированные маленькие прямоугольные чипы — это конденсаторы. Конденсаторы и резисторы, изображенные на фото, имеют размеры корпусов 0603 (метрический 1608), а также немного большую ферритовую бусинку 0805 (метрический 2012) .
Конденсатор поверхностного монтажа
МОП - транзистор , помещенный на британскую почтовую марку для сравнения размеров.

Технология поверхностного монтажа ( SMT ), первоначально называвшаяся планарным монтажом , [1] представляет собой метод, при котором электрические компоненты монтируются непосредственно на поверхность печатной платы (PCB). [2] Электрический компонент, монтируемый таким образом, называется устройством поверхностного монтажа ( SMD ). В промышленности этот подход в значительной степени заменил метод строительства с использованием технологии сквозных отверстий для установки компонентов, во многом потому, что SMT позволяет повысить автоматизацию производства, что снижает стоимость и улучшает качество. [3] Он также позволяет разместить больше компонентов на заданной площади подложки. Обе технологии можно использовать на одной и той же плате, при этом технология сквозных отверстий часто используется для компонентов, не подходящих для поверхностного монтажа, таких как большие трансформаторы и теплоотводящие силовые полупроводники.

Компонент SMT обычно меньше своего аналога с сквозным монтажом, поскольку он имеет либо меньшие выводы, либо вообще не имеет выводов. Он может иметь короткие штырьки или выводы разных стилей, плоские контакты, матрицу шариков припоя ( BGA ) или выводы на корпусе компонента.

История

Технология поверхностного монтажа была разработана в 1960-х годах. К 1986 году компоненты поверхностного монтажа составляли не более 10% рынка, но быстро набирали популярность. [4] К концу 1990-х годов подавляющее большинство высокотехнологичных электронных печатных плат доминировали устройства поверхностного монтажа. Большая часть новаторской работы в этой технологии была проделана IBM . Подход к проектированию, впервые продемонстрированный IBM в 1960 году в малогабаритном компьютере, позднее был применен в цифровом компьютере ракеты-носителя, используемом в приборном блоке , который управлял всеми кораблями Saturn IB и Saturn V. [5] Компоненты были механически переработаны, чтобы иметь небольшие металлические выступы или торцевые крышки, которые можно было напрямую припаять к поверхности печатной платы. Компоненты стали намного меньше, и размещение компонентов на обеих сторонах платы стало гораздо более распространенным при поверхностном монтаже, чем при монтаже в сквозные отверстия, что позволило добиться гораздо более высокой плотности схем и меньших печатных плат и, в свою очередь, машин или подузлов, 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 точкой клея, чтобы предотвратить падение компонентов внутри печей оплавления, если деталь превышает предел в 30 г на квадратный дюйм площади контактной площадки. [6] Иногда клей используется для удержания компонентов SMT на нижней стороне платы, если процесс пайки волной используется для одновременной пайки как компонентов SMT, так и компонентов сквозного монтажа. В качестве альтернативы компоненты SMT и сквозного монтажа можно припаять на одной стороне платы без клея, если детали SMT сначала паяются оплавлением, затем используется селективная паяльная маска, чтобы предотвратить оплавление припоя, удерживающего эти детали на месте, и уплывание деталей во время пайки волной. Поверхностный монтаж хорошо подходит для высокой степени автоматизации, что снижает затраты на рабочую силу и значительно увеличивает производительность.

Напротив, SMT не очень хорошо подходит для ручного или малоавтоматизированного изготовления, что более экономично и быстро для единичного прототипирования и мелкосерийного производства, и это одна из причин, по которой многие компоненты для сквозных отверстий все еще производятся. Некоторые SMD можно паять с помощью ручного паяльника с регулируемой температурой, но, к сожалению, те, которые очень малы или имеют слишком малый шаг выводов, невозможно паять вручную без дорогостоящего оборудования для пайки горячим воздухом [ сомнительнообсудить ] . SMD могут быть в четверть или в десятую раза меньше по размеру и весу и в половину или в четверть дешевле эквивалентных деталей для сквозных отверстий, но с другой стороны, стоимость определенной детали SMT и эквивалентной детали для сквозных отверстий может быть довольно схожей, хотя редко бывает, что деталь SMT дороже.

Распространенные сокращения

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

Методы сборки

Сборочная линия с подъемно-транспортными машинами
Линия сборки печатных плат: подъемно-транспортный автомат, за которым следует печь для поверхностной пайки

Там, где должны быть размещены компоненты, печатная плата обычно имеет плоские, обычно оловянно -свинцовые, серебряные или позолоченные медные площадки без отверстий, называемые припойными площадками . Паяльная паста , липкая смесь флюса и мелких частиц припоя, сначала наносится на все припойные площадки с помощью трафарета из нержавеющей стали или никеля с использованием процесса трафаретной печати . ​​Ее также можно наносить с помощью механизма струйной печати, похожего на струйный принтер . После приклеивания платы поступают в машины для установки и размещения , где они 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 трубках. Некоторые большие интегральные схемы доставляются в антистатических лотках. Машины для установки и размещения с числовым программным управлением извлекают детали из 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 для предотвращения теплового удара. Затем платы попадают в зону, где температура достаточно высока для расплавления частиц припоя в паяльной пасте, соединяя выводы компонентов с контактными площадками на печатной плате. Поверхностное натяжение расплавленного припоя помогает удерживать компоненты на месте, и если геометрия контактных площадок для пайки спроектирована правильно, поверхностное натяжение автоматически выравнивает компоненты на их контактных площадках.

Существует ряд методов оплавления припоя. Один из них заключается в использовании инфракрасных ламп; это называется инфракрасным оплавлением. Другой метод заключается в использовании конвекции горячего газа . Другая технология, которая снова становится популярной, — это специальные фторуглеродные жидкости с высокими точками кипения, которые используют метод, называемый парофазным оплавлением. Из-за экологических проблем этот метод терял популярность, пока не было введено законодательство о бессвинцовом припое, которое требует более строгого контроля за пайкой. В конце 2008 года конвекционная пайка была самой популярной технологией оплавления с использованием либо стандартного воздуха, либо азота. Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки. При инфракрасном оплавлении конструктор платы должен расположить плату так, чтобы короткие компоненты не попадали в тень высоких компонентов. Расположение компонентов менее ограничено, если конструктор знает, что в производстве будет использоваться парофазное оплавление или конвекционная пайка. После пайки оплавлением некоторые нестандартные или термочувствительные компоненты могут быть установлены и спаяны вручную или в крупномасштабной автоматизации с помощью сфокусированного инфракрасного луча (FIB) или оборудования для локализованной конвекции.

Если печатная плата двухсторонняя, то этот процесс печати, размещения, оплавления можно повторить, используя либо паяльную пасту, либо клей, чтобы удерживать компоненты на месте. Если используется процесс пайки волной , то детали должны быть приклеены к плате до обработки, чтобы они не оторвались, когда паяльная паста, удерживающая их на месте, расплавится.

После пайки платы можно промыть, 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 моющим средством, после чего следует продувка воздухом для быстрого удаления остаточной воды. Однако большинство электронных сборок изготавливаются с использованием процесса «без очистки», когда остатки флюса предназначены для того, чтобы оставаться на печатной плате, поскольку они считаются безвредными. Это экономит затраты на очистку, ускоряет процесс производства и сокращает отходы. Однако обычно рекомендуется промывать сборку, даже если используется процесс «без очистки», когда приложение использует очень высокочастотные тактовые сигналы (более 1 ГГц). Еще одной причиной удаления остатков без очистки является улучшение адгезии конформных покрытий и материалов для заливки. [8] Независимо от того, очищаются ли эти печатные платы или нет, современная тенденция в отрасли предполагает тщательное рассмотрение процесса сборки печатных плат, где применяется «Без очистки», поскольку остатки флюса, попавшие под компоненты и ВЧ-экраны, могут повлиять на сопротивление поверхностной изоляции (SIR), особенно на платах с высокой плотностью компонентов. [9]

Некоторые производственные стандарты, такие как стандарты, разработанные IPC - Association Connecting Electronics Industries, требуют очистки независимо от типа используемого флюса для пайки, чтобы обеспечить полную чистоту платы. Правильная очистка удаляет все следы флюса для пайки, а также грязь и другие загрязняющие вещества, 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 были квалифицированы и задокументированы как безвредные». [10] Однако, хотя ожидается, что цеха, соответствующие стандарту IPC, будут придерживаться правил Ассоциации по состоянию платы, не все производственные предприятия применяют стандарт IPC, и они не обязаны это делать. Кроме того, в некоторых приложениях, таких как электроника низкого уровня, такие строгие методы производства являются чрезмерными как по затратам, так и по требуемому времени.

Наконец, платы визуально проверяются на предмет отсутствия или смещения компонентов и перемычек припоя. [11] [12] При необходимости их отправляют на станцию ​​доработки, где оператор-человек исправляет любые ошибки. Затем их обычно отправляют на станции тестирования ( внутрисхемное тестирование и/или функциональное тестирование), чтобы убедиться в их правильной работе.

Системы автоматизированного оптического контроля (AOI) широко используются в производстве печатных плат. Эта технология доказала свою высокую эффективность для улучшения процесса и достижения качества. [13]

Преимущества

SMD-резисторы в оригинальной упаковке - данная упаковка позволяет использовать их в монтажном станке.

Основные преимущества SMT по сравнению со старой технологией сквозных отверстий: [14] [15]

Недостатки

Переделка

Извлечение поверхностно-монтируемого устройства с помощью паяльного пинцета

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

Переделка обычно исправляет некоторые типы ошибок, возникших по вине человека или машины, и включает в себя следующие этапы:

Иногда требуется ремонт сотен или тысяч одинаковых деталей. Такие ошибки, если они связаны со сборкой, часто обнаруживаются в процессе. Однако возникает совершенно новый уровень доработки, когда неисправность компонента обнаруживается слишком поздно и, возможно, остается незамеченной до тех пор, пока конечный пользователь производимого устройства не столкнется с ней. Доработка также может использоваться, если продукты, имеющие достаточную ценность, чтобы оправдать ее, требуют пересмотра или перепроектирования, возможно, для замены одного компонента на основе прошивки. Для доработки в больших объемах требуется операция, разработанная 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 посредством длинноволнового, средневолнового или коротковолнового инфракрасного электромагнитного излучения.

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 системы доработки сочетают средневолновое инфракрасное излучение с горячим воздухом

Преимущества:

Недостатки

Пакеты

Пример размеров компонентов, метрических и имперских кодов для двухконтактных корпусов и сравнение включены

Компоненты поверхностного монтажа обычно меньше своих аналогов с выводами и предназначены для обработки машинами, а не людьми. Электронная промышленность стандартизировала формы и размеры корпусов (ведущим органом по стандартизации является JEDEC ).

Наименьшие размеры корпусов, доступные по состоянию на 2024 год после 0201, — это 01005, 008005, 008004, 008003 и 006003. [22]

Идентификация

Резисторы
Для резисторов SMD с точностью 5% значения сопротивления обычно маркируются тремя цифрами: две значащие цифры и цифра множителя. Довольно часто это белые буквы на черном фоне, но могут использоваться и другие цветные фоны и буквы. Для резисторов SMD с точностью 1% используется код, так как три цифры в противном случае не передавали бы достаточно информации. Этот код состоит из двух цифр и буквы: цифры обозначают положение значения в серии значений E96 , а буква обозначает множитель. [23]
Конденсаторы
Неэлектролитические конденсаторы обычно не имеют маркировки, и единственным надежным методом определения их значения является извлечение из схемы и последующее измерение с помощью измерителя емкости или моста импеданса. Материалы, используемые для изготовления конденсаторов, такие как танталат никеля, имеют разные цвета, и они могут дать приблизительное представление о емкости компонента. [ необходима цитата ] Обычно физический размер пропорционален емкости и (квадрату) напряжению для одного и того же диэлектрика. Например, конденсатор емкостью 100 нФ, 50 В может поставляться в том же корпусе, 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 гранях, 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 бусин. Они представляют собой просто металлический проводник, пропущенный через ферритовую бусинку, и почти такие же, как их версии для сквозного монтажа, но имеют торцевые крышки SMD вместо выводов. Они выглядят темно-серыми и являются магнитными, в отличие от конденсаторов с похожим темно-серым внешним видом. Эти типы ферритовых бусин ограничены малыми значениями в диапазоне наногенри (нГн) и часто используются в качестве развязок шин питания или в высокочастотных частях схемы. Более крупные индукторы и трансформаторы, конечно, могут быть установлены в сквозном отверстии на той же плате. Индукторы SMT с большими значениями индуктивности часто имеют витки провода или плоской ленты вокруг корпуса или залиты прозрачной эпоксидной смолой, что позволяет видеть провод или ленту. Иногда также присутствует ферритовый сердечник . Эти типы с более высокой индуктивностью часто ограничены небольшими номинальными токами, хотя некоторые типы с плоской лентой могут выдерживать несколько ампер. Как и в случае с конденсаторами, значения компонентов и идентификаторы для меньших индукторов обычно не маркируются на самом компоненте; если они не задокументированы или не напечатаны на печатной плате, измерение, обычно удаленное от схемы, является единственным способом их определения. Более крупные индукторы, особенно проволочные типы в больших отпечатках, обычно имеют значение, напечатанное сверху. 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, маркированный на разных корпусах или на устройствах разных производителей, может соответствовать разным устройствам. Многие из этих кодов, используемых из-за того, что устройства слишком малы для маркировки более традиционными числами, используемыми на больших корпусах, соотносятся с более привычными традиционными номерами деталей, когда просматривается список корреляции. GM4PMK в Соединенном Королевстве подготовил список корреляции, и аналогичный список .pdf также доступен, хотя эти списки не являются полными.
Интегральные схемы
Как правило, корпуса интегральных схем достаточно велики, чтобы на них можно было напечатать полный номер детали, включающий префикс производителя или значительную часть номера детали, а также название или логотип производителя .

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Уильямс, Пол, ред. (1999). Состояние деятельности и план действий технологической отрасли (PDF) . Технология поверхностного монтажа. Совет по поверхностному монтажу. Архивировано (PDF) из оригинала 28.12.2015.
  2. ^ "Технология поверхностного монтажа - обзор | Темы ScienceDirect". www.sciencedirect.com . Получено 2022-09-30 .
  3. ^ ab Staff, History Computer (2022-05-19). "(SMT) Surface-Mount Technology: Meaning, Definition, and Examples". History-Computer . Получено 2022-09-30 .
  4. ^ Гарнер, Р.; Тейлор, Д. (1 мая 1986 г.). «Корпус для поверхностного монтажа». Microelectronics Journal . 17 (3): 5–13. doi :10.1016/S0026-2692(86)80170-7. ISSN  0026-2692 . Получено 19 января 2021 г.
  5. ^ Шнеевайс, Скотт. Артефакт: Цифровая компьютерная память и печатные платы, LVDC, Saturn IB/V Guidance, Navigation and Control. Spaceaholic. Архивировано из оригинала 28.12.2015 . Получено 28.12.2015 . {{cite book}}: |work=проигнорировано ( помощь )
  6. ^ "Плавливание двухсторонней сборки". ПРОЦЕСС ПОВЕРХНОСТНОГО МОНТАЖА . Получено 2020-09-16 .
  7. ^ Йена, Ханингс (4 января 2016 г.). «Сборка печатной платы — описание». www.ourpcb.com . Получено 7 февраля 2018 г. .
  8. ^ "Почему чистить без очистки?". Assembly Magazine . Получено 2017-10-03 .
  9. ^ "No-clean — это процесс, а не продукт". www.ipc.org . Получено 2017-10-03 .
  10. ^ IPC-A-610E, пункт 10.6.3.
  11. ^ Айоделе, Абиола. «Производство SMT: все, что вам нужно знать». Wevolver . Получено 30 сентября 2022 г.
  12. ^ "Производитель печатных плат с HDI-печатной платой для печатных плат и печатных плат". www.hemeixinpcb.com . Получено 30.09.2022 .
  13. ^ Виториано, Педро (июнь 2016 г.). «3D-реконструкция паяных соединений на SMD на основе 2D-изображений». Журнал SMT . стр. 82–93.
  14. ^ Дас, Сантош (2019-10-01). "Преимущества и недостатки технологии поверхностного монтажа". Учебник по электронике | Лучший веб-сайт по учебникам по электронике . Получено 30 сентября 2022 г.
  15. ^ Команда, VSE | Engineering (2020-05-07). "Преимущества и недостатки технологии поверхностного монтажа при сборке печатных плат". VSE . Получено 2022-09-30 .
  16. ^ Монтроуз, Марк И. (1999). «Компоненты и ЭМС». ЭМС и печатная плата: конструкция, теория и упрощенная компоновка . Wiley-Interscience . стр. 64. ISBN 978-0780347038.
  17. ^ Джадд, Майк; Бриндли, Кит (1999). "Процессы пайки CS". Пайка в сборке электроники (2-е изд.). Newnes . стр. 128. ISBN 978-0750635455.
  18. ^ Уильямс, Джим (1991). High Speed ​​Amplifier Techniques - A Designer's Companion for Wideband Circuitry (PDF) . Линейная технология . стр. 26–29, 98–121. Архивировано (PDF) из оригинала 28.12.2015 . Получено 28.12.2015 . {{cite book}}: |work=проигнорировано ( помощь )
  19. ^ Доктор Ли, Нинг-Ченг; Ханс, Ванда Б. (1993). «Механизмы опорожнения в SMT». Техническая статья корпорации Indium . Получено 28 декабря 2015 г.
  20. ^ DerMarderosian, Aaron; Gionet, Vincent (1983). «Эффекты захваченных пузырьков в припое, используемом для крепления безвыводных керамических чип-носителей». Симпозиум по физике надежности : 235–241. doi :10.1109/IRPS.1983.361989. ISSN  0735-0791. S2CID  11459596.
  21. ^ «Два распространенных метода нагрева при ремонте — какой из них лучше?». smt.iconnect007.com . Получено 27 июля 2018 г.
  22. ^ https://www.murata.com/en-eu/news/capacitor/ceramiccapacitor/2024/0919
  23. ^ "Код SMD резистора". Руководство по резисторам. Архивировано из оригинала 2015-12-28 . Получено 2015-12-28 .