Технология поверхностного монтажа

Эта статья поднимает множество проблем. Пожалуйста, помогите улучшить его или обсудите эти проблемы на странице обсуждения . ( Узнайте, как и когда удалить эти сообщения-шаблоны ) Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . Пожалуйста, помогите улучшить эту статью , добавив цитаты из надежных источников . Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найти источники:  «Технология поверхностного монтажа»  -  новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR ( октябрь 2017 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) Эта статья, возможно, содержит оригинальные исследования . Пожалуйста, улучшите его , проверив сделанные утверждения и добавив встроенные цитаты . Заявления, содержащие только оригинальные исследования, следует удалить. ( Сентябрь 2020 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

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 - он 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, 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.

История [ править ]

Изначально поверхностный монтаж назывался «планарный монтаж». ^[1]

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. ^[2] К концу 1990-х годов в подавляющем большинстве высокотехнологичных электронных сборок с печатными схемами 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. ^[3]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. ^[4] 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, а затем - селективной пайкой.Маска используется для предотвращения оплавления припоя, удерживающего эти детали на месте, а также для того, чтобы детали улетали во время пайки волной припоя. 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 ^{[ сомнительно - обсудить ]}. 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 [ править ]

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

Техника сборки [ править ]

Там, где должны быть размещены компоненты, на печатной плате обычно имеются плоские, обычно оловянно- свинцовые, серебряные или позолоченные медные площадки без отверстий, называемые контактными площадками . Паяльная паста , липкая смесь флюса и крошечных частиц припоя, сначала наносится на все паяные 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 оклейки доски поступают на подъемно-загрузочные машины., где они размещаются на конвейерной ленте. Компоненты, которые должны быть размещены на платах, обычно доставляются на производственную линию в бумажных / пластиковых лентах, намотанных на катушки, или 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. ^[5]

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 набирает популярность, - это специальный фторуглерод.жидкости с высокими температурами кипения, в которых используется метод, называемый оплавлением в паровой фазе. Из-за проблем с окружающей средой этот метод потерял популярность до тех пор, пока не было принято законодательство о бессвинцовой пайке, которое требует 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,сфокусированным инфракрасным лучом (FIB) или оборудованием 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 детали должны быть приклеены к плате перед обработкой, чтобы предотвратить их выпадение при расплавлении паяльной пасты, удерживающей их на месте.

После пайки платы можно мыть, чтобы удалить остатки флюса и любые случайные шарики припоя, которые могут закоротить близко расположенные выводы компонентов. Канифольный флюс удаляют с помощью фторуглеродных растворителей, углеводородных растворителей с высокой температурой вспышки или растворителей с низкой температурой вспышки, например лимонена (полученного из апельсиновой корки), которые требуют дополнительных циклов промывки или сушки. Водорастворимые флюсы удаляются деионизированной водой.и моющее средство с последующей продувкой воздухом для быстрого удаления остатков 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. ^[6]Независимо от того, очищаются ли эти печатные платы или нет, текущая отраслевая тенденция предлагает тщательно изучить процесс сборки печатных плат, где применяется метод «без очистки», поскольку остатки флюса, задержанные под компонентами и радиочастотными экранами, могут повлиять на сопротивление изоляции поверхности (SIR), особенно на компонентах с высоким содержанием Плотность досок. ^[7]

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 безвредные». ^[8]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 затратам, 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. ^[9]

Преимущества [ править ]

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)
• Более низкое 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. ^[10]
• 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.
• Пакет для поверхностного монтажа предпочтительнее, если требуется низкопрофильный корпус или пространство, доступное для монтажа пакета, ограничено. По мере того, как электронные устройства становятся более сложными и доступное пространство уменьшается, желательность корпуса для поверхностного монтажа возрастает. Одновременно с увеличением сложности устройства увеличивается количество тепла, выделяемого при работе. Если тепло не отводится, температура устройства повышается, сокращая срок его службы. Поэтому весьма желательно разработать корпуса для поверхностного монтажа, обладающие высокой теплопроводностью . ^[11]

Недостатки [ править ]

• 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. ^{[ необходима цитата ]}
• 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. ^[12]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 определенных навыков при ручной пайке или демонтаже 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 с подключаемыми 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 ». ^[13]
• 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. ^{[14] [15]}
• 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 [ править ]

Неисправные компоненты для поверхностного монтажа можно отремонтировать с помощью паяльника (для некоторых соединений) или с помощью системы бесконтактной доработки. В большинстве случаев система доработки - лучший выбор, 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. ^[16]

Инфракрасный [ править ]

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 районы будут отапливаться 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 [ править ]

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

Преимущества:

• Имитация атмосферы печи оплавления
• Некоторые системы позволяют переключаться между горячим воздухом и азотом.
• Стандартные форсунки и форсунки для конкретных компонентов обеспечивают высокую надежность и более быструю обработку
• Обеспечить воспроизводимые профили пайки
• Эффективное отопление, возможность передачи большого количества тепла
• Равномерное нагревание пораженного участка доски
• Температура компонента никогда не превышает установленную температуру газа.
• Быстрое охлаждение после оплавления, приводящее к мелкозернистым паяным соединениям (в зависимости от используемой системы)

Недостатки:

• Тепловая мощность теплогенератора приводит к медленной реакции, в результате чего тепловые профили могут искажаться (зависит от используемой системы)

Пакеты [ править ]

Компоненты для поверхностного монтажа обычно меньше, чем их аналоги с выводами, и предназначены для работы с машинами, а не людьми. Электронная промышленность имеет стандартные формы и размеры корпусов (ведущим органом по стандартизации является JEDEC ).

Идентификация [ править ]

Резисторы

Для резисторов SMD с точностью 5% обычно указываются значения сопротивления с использованием трех цифр: двух значащих цифр и цифры множителя. Часто это белые буквы на черном фоне, но можно использовать другой цветной фон и буквы. Для резисторов SMD с точностью 1% используется код, поскольку в противном случае три цифры не передали бы достаточно информации. Этот код состоит из двух цифр и буквы: цифры обозначают позицию значения в последовательности E96, а буква обозначает множитель. ^[17]

Конденсаторы

Неэлектролитические конденсаторы обычно не имеют маркировки, и единственный надежный метод определения их значения - это удаление из схемы и последующее измерение с помощью измерителя емкости или моста импеданса. Материалы, используемые для изготовления конденсаторов, такие как танталат никеля, имеют разные цвета, что может дать приблизительное представление о емкости компонента. ^{[ необходима цитата ]}Обычно физический размер пропорционален емкости и (возведенному в квадрат) напряжению того же диэлектрика. Например, конденсатор 100 нФ, 50 В может поставляться в том же корпусе, что и устройство 10 нФ, 150 В. Конденсаторы SMD (неэлектролитические), которые обычно представляют собой монолитные керамические конденсаторы, имеют одинаковый цвет корпуса на всех четырех поверхностях, не закрытых торцевыми крышками. Электролитические конденсаторы SMD, обычно танталовые, и пленочные конденсаторы маркируются как резисторы с двумя значащими цифрами и множителем в пикофарадах или пФ (10 ⁻¹² фарад).

Индукторы

Меньшая индуктивность при умеренно высоком номинальном токе обычно относится к типу ферритовых шариков. Они представляют собой просто металлический проводник, пропущенный через ферритовую шайбу и почти такой же, как их версии со сквозным отверстием, но имеют торцевые заглушки для поверхностного монтажа, а не выводы. Они кажутся темно-серыми и магнитными, в отличие от конденсаторов с аналогичным темно-серым внешним видом. Эти ферритовые шарики ограничены небольшими значениями в диапазоне наногенри (нГн) и часто используются в качестве разъединителей шины питания или в высокочастотных частях цепи. Разумеется, индукторы и трансформаторы большего размера могут быть установлены на одной плате в сквозном отверстии. Индукторы SMT с более высокими значениями индуктивности часто имеют витки провода или плоскую ленту вокруг тела или залиты прозрачной эпоксидной смолой, что позволяет видеть провод или ремешок. Иногда ферритовый сердечникприсутствует также. Эти типы с более высокой индуктивностью часто ограничиваются малым номинальным током, хотя некоторые типы плоских лент могут выдерживать несколько ампер. Как и в случае с конденсаторами, значения компонентов и идентификаторы для небольших катушек индуктивности обычно не указываются на самом компоненте; если это не задокументировано или не напечатано на печатной плате, измерение, обычно снимаемое со схемы, является единственным способом их определения. На более крупных индукторах, особенно с проволочной обмоткой и занимающих большую площадь, обычно указано значение, указанное 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, отмеченный на разных упаковках или на устройствах разных производителей, может транслироваться на разные устройства. Многие из этих кодов, используемых из-за того, что устройства слишком малы, чтобы их можно было маркировать более традиционными номерами, используемыми на более крупных упаковках, соотносятся с более привычными традиционными номерами деталей при просмотре списка корреляции. GM4PMK в Соединенном Королевстве подготовил корреляционный список , также доступен аналогичный список в формате .pdf , хотя эти списки не являются полными.

Интегральные схемы

Как правило, корпуса интегральных схем достаточно велики, чтобы на них можно было напечатать полный номер детали, который включает префикс производителя или значительный сегмент номера детали и название или логотип производителя .

См. Также [ править ]

• Межплатные разъемы
• Чип-носитель
• Электроника
• Услуги по производству электроники
• Перечень размеров корпуса электроники
• Список типов корпусов интегральных схем
• Пластиковый держатель микросхемы с выводами
• Конструкция точка-точка
• Печатная плата
• RoHS
• Оборудование для размещения SMT
• Технология сквозного отверстия
• Обмотка проволоки
• Код РКМ

Ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме технологии поверхностного монтажа .