Установка компонентов поверхностного монтажа. Основы технологии и материалы для поверхностного монтажа

Поверхностный монтаж

Поверхностный монтаж - технология изготовления электронных изделий на печатных платах , а также связанные с данной технологией методы конструирования печатных узлов.

Технологию поверхностного монтажа печатных плат также называют ТМП (технология монтажа на поверхность), SMT (surface mount technology) и SMD-технология (от surface mounted device - прибор, монтируемый на поверхность), а компоненты для поверхностного монтажа также называют чип-компонентами. Данная технология является наиболее распространенным на сегодняшний день методом конструирования и сборки электронных узлов на печатных платах. Основным ее отличием от «традиционной» технологии сквозного монтажа в отверстия является то, что компоненты монтируются на поверхность печатной платы, однако преимущества технологии поверхностного монтажа печатных плат проявляются благодаря комплексу особенностей элементной базы, методов конструирования и технологических приемов изготовления печатных узлов .

Технология

Типовая последовательность операций в технологии поверхностного монтажа включает:

В единичном производстве, при ремонте изделий и при монтаже компонентов, требующих особой точности, как правило, в мелкосерийном производстве также применяется индивидуальная пайка струей нагретого воздуха или азота.

Одним из важнейших технологических материалов, применяемых при поверхностном монтаже, является паяльная паста (также иногда называемая припойной пастой), представляющая собой смесь порошкообразного припоя с органическими наполнителями, включающими флюс. Помимо обеспечения процесса пайки припоем и подготовки поверхностей паяльная паста также выполняет задачу фиксирования компонентов до пайки за счет клеящих свойств .

При пайке в поверхностном монтаже очень важно обеспечить правильное изменение температуры во времени (термопрофиль), чтобы избежать термоударов, обеспечить хорошую активацию флюса и смачивание поверхности припоем .

Разработка термопрофиля (термопрофилирование) в настоящее время приобретает особую важность в связи с распространением бессвинцовой технологии, в которой окно процесса (разница между минимальной необходимой и максимально допустимой температурой термопрофиля) значительно у́же из-за повышенной температуры плавления припоя.

Компоненты, которые используются для поверхностного монтажа называют SMD-компонентами или КМП (компонент, монтируемый на поверхность).

История

Технология поверхностного монтажа начала своё развитие в 1960-х и получила широкое применение к концу 1980-х годов. Одним из первопроходцев в этой технологии была IBM . Элементы были перепроектированы таким образом, чтобы уменьшить контактные площадки или выводы, которые бы паялись непосредственно к поверхности печатной платы. В сравнении с традиционными, платы для поверхностного монтажа имеют повышенную плотность размещения электронных элементов, обладают меньшими расстояниями между проводниковыми элементами и контактными площадками. Часто припоя достаточно для установки компонента на плату, однако элементы на нижней ("второй") стороне платы необходимо приклеивать. Компоненты поверхностного монтажа (Surface-mounted devices (SMDs)) зачастую имеют небольшой вес и размер. Технология поверхностного монтажа зарекомендовала себя в повышении автоматизации производства, уменьшении трудоёмкости и увеличении продуктивности. Компоненты поверхностного монтажа могут быть в 4-10 раз меньше, и на 25-50% дешевле, чем аналогичные компоненты для монтажа в отверстия.

SMD-конденсаторы (слева), против двух обычных конденсаторов (справа)

Компоненты SMD выпускаются различных размеров и в разных типах корпусов:

Примечания

Ссылки

• Основы технологии и оборудование для поверхностного монтажа

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Поверхностный монтаж" в других словарях:

поверхностный монтаж - — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999] Тематики электротехника, основные понятия EN surface mounting … Справочник технического переводчика

поверхностный монтаж - paviršinis montavimas statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. surface mounting vok. Oberflächenmontage, f rus. поверхностный монтаж, m pranc. montage en surface, m … Radioelektronikos terminų žodynas

ГОСТ Р МЭК 61191-1-2010: Печатные узлы. Часть 1. Поверхностный монтаж и связанные с ним технологии. Общие технические требования - Терминология ГОСТ Р МЭК 61191 1 2010: Печатные узлы. Часть 1. Поверхностный монтаж и связанные с ним технологии. Общие технические требования оригинал документа: 3.1 данные технического задания (objective evidence): согласованная между заказчиком …

Поверхностный монтаж технология изготовления электронных изделий на печатных платах, а также связанные с данной технологией методы конструирования печатных узлов. SMD компоненты на плате USB Flash накопителя Технологию поверхностного монтажа… … Википедия

заказчик - 4.9 заказчик (customer): Организация или лицо, получающие продукт или услугу. Примечание 1 Заказчик может быть внутренним или внешним по отношению к организации. Примечание 2 Адаптировано из ИСО 9000:2005. Примечание 3 Другие термины,… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

данные технического задания - 3.1 данные технического задания (objective evidence): согласованная между заказчиком и изготовителем документация в бумажной форме, информация в электронном виде, вычислительные алгоритмы, видеоинформация или информация в виде других средств… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Современная радиоаппаратура строится в основном только на так называемых чип компонентах, это чип резисторы, конденсаторы, микросхемы и прочее. Выводные радиодетали, которые мы привыкли выпаивать со старых телевизоров и магнитофонов и которые радиолюбители обычно применяют для сборки своих схем и устройств, все реже применяются в современной радиоаппаратуре.

В чем же заключаются плюсы применения таких чип элементов? Давайте разберемся.

Плюсы данного вида монтажа

Во первых, применение чип компонентов заметно уменьшает размеры готовых печатных плат, уменьшается их вес, как следствие для этого устройства потребуется небольшой компактный корпус. Так можно собрать очень компактные и миниатюрные устройства. Применение чип элементов заставляет экономить печатную плату (стеклотекстолит), а так же хлорное железо для их травления, кроме того, не приходиться тратить время на высверливание отверстий, в любом случае, на это уходит не так много времени и средств.
Платы изготовленные таким образом легче ремонтировать и легче заменять радиоэлементы на плате. Можно делать двухсторонние платы, и размещать элементы на обеих сторонах платы. Ну и экономия средств, ведь чип компоненты стоят дешево, а оптом брать их очень выгодно.

Для начала, давайте определимся с термином поверхностный монтаж, что же это означает? Поверхностный монтаж – это технология производства печатных плат, когда радиодетали размещаются со стороны печатных дорожек, для их размещения на плате не приходится высверливать отверстия, если коротко, то это означает "монтаж на поверхность". Данная технология является наиболее распространенным на сегодняшний день.

Кроме плюсов есть конечно же и минусы. Платы собранные на чип компонентах боятся сгибов и ударов, т.к. после этого радиодетали, особенно резисторы с конденсаторами просто напросто трескаются. Чип компоненты не переносят перегрева при пайке. От перегрева они часто трескаются и появляются микротрещины. Дефект проявляет себя не сразу, а только в процессе эксплуатации

Типы и виды чип радиодеталей

Резисторы и конденсаторы

Чип компоненты (резисторы и конденсаторы) в первую очередь разделяются по типоразмерам, бывают 0402 – это самые маленькие радиодетали, очень мелкие, такие применяются например в сотовых телефонах, 0603 - так же миниатюрные, но чуть больше чем предыдущие, 0805 – применяются например в материнских платах, самые ходовые, затем идут 1008, 1206 и так далее.

Резисторы:

Конденсаторы:

Ниже дана более таблица с указанием размеров некоторых элементов:
- 1,0 × 0,5 мм
- 1,6 × 0,8 мм
- 2,0 × 1,25 мм
- 3,2 × 1,6 мм
- 4,5 × 3,2 мм

Все чип резисторы обозначаются кодовой маркировкой, хоть и дана методика расшифровки этих кодов, многие все равно не умеют расшифровывать номиналы этих резисторов, в связи с этим я расписал коды некоторых резисторов, взгляните на таблицу.

Примечание: В таблице ошибка: 221 "Ом" следует читать как "220 Ом".

Что касается конденсаторов, они никак не обозначаются и не маркируются, поэтому, когда будете покупать их, попросите продавца подписать ленты, иначе, понадобится точный мультиметр с функцией определения емкостей.

Транзисторы

В основном радиолюбители применяют транзисторы вида SOT-23, про остальные я рассказывать не буду. Размеры этих транзисторов следующие: 3 × 1,75 × 1,3 мм.

Как видите они очень маленькие, паять их нужно очень аккуратно и быстро. Ниже дана распиновка выводов таких транзисторов:

Распиновка у большинства транзисторов в таком корпусе именно такая, но есть и исключения, так что прежде чем запаивать транзистор проверьте распиновку выводов, скачав даташит к нему. Подобные транзисторы в большинстве случаев обозначаются с одной буквой и 1 цифрой.

Диоды и стабилитроны

Диоды как и резисторы с конденсаторами, бывают разных размеров, более крупные диоды обозначают полоской с одной стороны – это катод, а вот миниатюрные диоды могут отличаться в метках и цоколевке. Такие диоды обозначаются обычно 1-2 буквами и 1 или 2 цифрами.

Стабилитроны, так же как и диоды, обозначаются полоской с краю корпуса. Кстати, из-за их формы, они любят убегать с рабочего места, очень шустрые, а если упадет, то и не найдешь, поэтому кладите их например в крышку от баночки с канифолью.

Микросхемы и микроконтроллеры

Микросхемы бывают в разных корпусах, основные и часто применяемые типы корпусов показаны ниже на фото. Самый не хороший тип корпуса это SSOP – ножки этих микросхем располагаются настолько близко, что паять без соплей практически нереально, все время слипаются ближайшие вывода. Такие микросхемы нужно паять паяльником с очень тонким жалом, а лучше паяльным феном, если такой имеется, методику работы с феном и паяльной пастой я расписывал в этой .

Следующий тип корпуса это TQFP, на фото представлен корпус с 32мя ногами (микроконтроллер ATmega32), как видите корпус квадратный, и ножки расположены с каждой его стороны, самый главный минус таких корпусов заключается в том, что их сложно отпаивать обычным паяльником, но можно. Что же касается остальных типов корпусов, с ними намного легче.

Как и чем паять чип компоненты?

Чип радиодетали лучше всего паять паяльной станцией со стабилизированной температурой, но если таковой нет, то остается только паяльником, обязательно включенным через регулятор! (без регулятора у большинства обычных паяльников температура на жале достигает 350-400*C). Температура пайки должна быть около 240-280*С. Например при работе с бессвинцовыми припоями, имеющими температуру плавления 217-227*С, температура жала паяльника должна составлять 280-300°С. В процессе пайки необходимо избегать избыточно высокой температуры жала и чрезмерного времени пайки. Жало паяльника должно быть остро заточено, в виде конуса или плоской отвертки.

Печатные дорожки на плате необходимо облудить и покрыть спирто-канифольным флюсом. Чип компонент при пайке удобно поддерживать пинцетом или ногтем, паять нужно быстро, не более 0.5-1.5 сек. Сначала запаивают один вывод компонента, затем убирают пинцет и паяют второй вывод. Микросхемы нужно очень точно совмещать, затем запаивают крайние вывода и проверяют еще раз, все ли вывода точно попадают на дорожки, после чего запаивают остальные вывода микросхемы.

Если при пайке микросхем соседние вывода слиплись, используйте зубочистку, приложите ее между выводами микросхемы и затем коснитесь паяльником одного из выводов, при этом рекомендуется использовать больше флюса. Можно пойти другим путем, снять экран с экранированного провода и собрать припой с выводов микросхемы.

Несколько фотографий из личного архива

Заключение

Поверхностный монтаж позволяет экономить средства и делать очень компактные, миниатюрные устройства. При всех своих минусах, которые имеют место, результирующий эффект, несомненно, говорит о перспективности и востребованности данной технологии.

Поверхностный монтаж печатных плат , также называемый ТМП (технология монтажа на поверхность), SMT (surface mount technology) и SMD-технология (от surface mount device - прибор, монтируемый на поверхность), появился в 60-х годах XX века и получил широкое развитие в конце 80-х годов. Данная технология является наиболее распространенным на сегодняшний день методом конструирования и сборки электронных узлов на печатных платах. Основным ее отличием от «традиционной» технологии монтажа в отверстия является то, что компоненты монтируются на поверхность печатной платы, однако преимущества технологии поверхностного монтажа печатных плат проявляются благодаря комплексу особенностей элементной базы, методов конструирования и технологических приемов изготовления печатных узлов.

Появление технологии поверхностного монтажа

Предпосылками к появлению технологии поверхностного монтажа явились растущие требования к микроминиатюризации и технологичности печатных узлов при автоматизированной сборке в условиях расширения области применения электроники как для специальных, так и для бытовых нужд во второй половине XX века.

Монтаж микросхем на поверхностные контактные площадки без отверстий, так называемый планарный монтаж , в то время успешно применялся в специальной технике. Корпуса микросхем для планарного монтажа имели выводы по двум или четырем сторонам. Обрезка и формовка выводов осуществлялась перед установкой, после чего микросхема фиксировалась на клей или подпайкой и припаивалась специальными роликовыми или гребенчатыми паяльниками, либо на установке пайки волной. До сих пор иногда ошибочно планарную технологию смешивают с технологией поверхностного монтажа.

С другой стороны, во время появления поверхностного монтажа существовала и другая технология: технология гибридных модулей и микросхем , в которых применялись компоненты с укороченными выводами или вообще без выводов, устанавливаемые на керамические подложки. Также такие компоненты применялись в СВЧ технике, где длина выводов может оказывать существенное влияние на качество сигнала.

Технология монтажа на поверхность объединила в себе преимущества данных технологий, позволив существенно уменьшить массу и габариты печатных узлов, улучшить электрические характеристики и повысить технологичность сборки устройств на печатных платах.

Преимущества поверхностного монтажа

Технология поверхностного монтажа по сравнению с технологией монтажа в отверстия обладает рядом преимуществ как в конструкторском, так и технологическом аспекте.

Снижение габаритов и массы печатных узлов. Компоненты для поверхностного монтажа имеют значительно меньшие размеры по сравнению с элементной базой для монтажа в отверстия. Как известно, бόльшую часть массы и габаритов микросхемы составляет отнюдь не кристалл, а корпус и выводы. Размеры корпуса продиктованы в основном расположением выводов (могут существовать и другие факторы, например, требования по теплоотводу, но они значительно реже являются определяющими). Поверхностный монтаж позволяет применять компоненты с существенно меньшим шагом выводов благодаря отсутствию отверстий в печатной плате. Поперечные сечения выводов могут быть также меньше, поскольку выводы формуются на предприятии-изготовителе компонентов и не подвергаются существенным механическим воздействиям от разупаковки до установки на плату. Кроме того, эта технология позволяет применять корпуса компонентов с контактными поверхностями, заменяющими выводы.

Современная технология поверхностного монтажа позволяет устанавливать компоненты с обеих сторон печатной платы, что позволяет уменьшить площадь платы и, как следствие, габариты печатного узла.

Улучшение электрических характеристик. За счет уменьшения длины выводов и более плотной компановки значительно улучшается качество передачи слабых и высокочастотных сигналов.

Повышение технологичности. Это преимущество является, пожалуй, основным, позволившим поверхностному монтажу получить широкое распространение. Отсутствие необходимости подготовки выводов перед монтажом и установки выводов в отверстия, фиксация компонентов паяльной пастой или клеем, самовыравнивание компонентов при пайке - все это позволяет применять автоматическое технологическое оборудование с производительностью, недостижимой при соответствующей стоимости и сложности технических решений при монтаже в отверстия. Применение технологии оплавления паяльной пасты значительно снижает трудоемкость операции пайки по сравнению с ручной или селективной пайкой, и позволяет экономить материалы по сравнению с пайкой волной.

Повышение ремонтопригодности. Современное ремонтное оборудование позволяет снимать и устанавливать компоненты без повреждений даже при большом количестве выводов. При монтаже в отверстия эта операция является более сложной из-за необходимости равномерного прогрева достаточно теплоемких паяных соединений. При поверхностном монтаже теплоемкость соединений меньше, а нагрев может осуществляться по поверхности горячим воздухом или азотом. Тем не менее, некоторые современные компоненты для поверхностного монтажа являются настолько сложными, что их замена требует специального оборудования.

Снижение себестоимости. Уменьшение площади печатных плат, меньшее количество материалов, используемых в компонентах, автоматизированная сборка - все это при прочих равных условиях позволяет существенно снизить себестоимость изделия при серийном производстве.

Типичная последовательность операций

В технологии поверхностного монтажа, как правило, применяются два метода пайки: пайка оплавлением припойной пасты и пайка волной. В зависимости от применяемого метода пайки последовательность операций различна.

Основное преимущество метода пайки волной - возможность одновременной пайки компонентов, монтируемых как на поверхность платы, так и в отверстия. При этом пайка волной является самым производительным методом пайки при монтаже в отверстия. В современных конструкциях доля монтажа в отверстия постоянно снижается, а развитие более экономной и качественной селективной пайки позволяет автоматизировать пайку компонентов, монтируемых в отверстия, без применения волны. Эти факторы приводят к тому, что производители все чаще отказываются от пайки волной, применяя метод оплавления для поверхностно-монтируемых компонентов и ручную или селективную пайку для компонентов, монтируемых в отверстия.

Пайка волной, как и селективная пайка, применяется при так называемой смешанной технологии, когда на плате одновременно присутствуют компоненты, монтируемые на поверхность и в отверстия. Полностью избавиться от монтажа в отверстия в большинстве современных устройств не удается, тем не менее, множество изделий уже собирается с применением только поверхностного монтажа.

Прежде, чем привести типичную последовательность операций при использовании метода пайки оплавлением для сборки платы, не содержащей компонентов для монтажа в отверстия, рассмотрим состав и особенности паяльной пасты.

Паяльная паста

Пайка оплавлением основана на применении специального технологического материала - паяльной пасты. Она содержит три основных составляющих: припой, флюс (активаторы) и органические наполнители.

Припой в паяльной пасте содержится в виде частиц, имеющих, как правило, форму шариков. Размер шариков составляет несколько десятков микрометров, типичное значение 20-25 мкм. Форма шариков наиболее оптимальна с точки зрения нанесения пасты, поскольку они легко и предсказуемо проходят через апертуры трафарета и иглы дозаторов и приводят к минимальному износу оснастки. Кроме того, шарик, имея минимальную площадь поверхности при заданном объеме, обладает наилучшими характеристиками по окислению. Проводились эксперименты с другими формами частиц, в основном для снижения скорости разделения фракций при хранении, однако их преимущества оказались незначительными, а недостатки существенными. Размер шариков влияет на так называемую разрешающую способность пасты, т.е. минимальный размер апертуры, через которую она может быть нанесена. Минимальный размер апертуры также зависит от оборудования нанесения, но обычно считается, что он должен быть примерно в 5 раз больше среднего диаметра шарика в пасте.

Состав припойного сплава, применяемого в пастах, такой же, как и при других методах пайки. Обычно это эвтектический сплав олово-свинец, либо SAC-сплав (Sn-Ag-Cu) при применении бессвинцовой технологии. Широкое распространение получили сплавы олово-свинец с добавлением 2% серебра, обеспечивающие снижение миграции серебра с покрытия контактных поверхностей компонентов в материал припоя. Также применяются и другие сплавы, с содержанием висмута, индия, золота и других материалов.

Флюсы служат для подготовки поверхности перед пайкой. Их наличие в паяльной пасте является преимуществом метода оплавления, поскольку позволяет отказаться от операции нанесения флюса. Флюсы различаются по активности и методу удаления остатков. Активные флюсы применяются при пайке компонентов и плат с плохой паяемостью, либо когда качество подготовки поверхностей критично по другим причинам. В бессвинцовой технологии из-за худшего смачивания поверхностей припоем применяются более активные флюсы, чем при использовании оловянно-свинцовых припоев. Недостатком активных флюсов является необходимость их тщательного удаления после пайки. Остатки активных флюсов могут приводить к коррозии проводников платы в процессе эксплуатации, а также при повышенной влажности вызывать образование электролитов на поверхности плат, приводящих к гальваническим эффектам, например, росту медных дендритов.

По методу удаления остатков большинство флюсов делится на не требующие отмывки, водосмываемые и смываемые растворителями. Если флюс не требует отмывки, это не означает, что его остатков на плате после пайки нет. Остатки таких флюсов не влияют на внешний вид изделия и не приводят к выходу изделия из строя при нормальных условиях эксплуатации. Такие флюсы применяются в бытовой и лабораторной аппаратуре и имеют низкую активность. В аппаратуре, эксплуатируемой при воздействии повышенной влажности и в широком диапазоне температур, применение таких флюсов нежелательно, и их остатки должны быть удалены растворителями.

Остатки водорастворимых флюсов могут удаляться горячей деионизованной водой. Эти флюсы могут быть активны. Иногда в состав паст с водосмываемыми флюсами вводятся ПАВ, улучшающие процесс отмывки. Флюсы, требующие отмывки, должны удаляться в течение строго определенного промежутка времени после пайки. Обычно это время составляет 8 ч.

Ввиду широкой распространенности и технологичности водосмываемых флюсов и флюсов, не требующих отмывки, флюсы, смываемые растворителем, практически не применяются.

На текущий момент подавляющем большинстве случаев при сборке электроники применяются именно флюсы не требующие отмывки, т.к. это позволяет уменьшить количество операций и снизить стоимость процесса.
Прочие органические наполнители вводятся в состав паяльных паст для регулирования их свойств, таких как тиксотропность, холодная и горячая осадка, клейкость и др.

Тиксотропность пасты является одним из важнейших свойств, обеспечивающих ее качественное нанесение. Паста обладает переменной вязкостью. При прохождении через апертуры трафарета или иглу дозатора вязкость пасты уменьшается, а после нанесения - увеличивается, что позволяет зафиксировать форму отпечатка.

Осадка пасты - ее неизбежное свойство, заключающееся в растекании отпечатка со временем. Из-за холодной осадки, происходящей при нормальной температуре, время жизни отпечатков до пайки ограничено. Горячая осадка, возникающая в процессе нагрева при оплавлении, может приводить к припойным перемычкам.

Паста также обладает клеящими свойствами для первичной фиксации компонента. Нанесенная на плату паста сохраняет клейкость ограниченное время, обычно составляющее порядка 8 ч. Кроме того, следует учитывать, что из-за клейкости паста имеет свойство собирать пыль.

Часто флюс и прочие органические наполнители в составе пасты считают за одну группу компонентов, несмотря на различное их назначение.

Последовательность операций при применении технологии поверхностного монтажа с использованием пайки оплавлением

Компоненты для поверхностного монтажа не требуют специальной подготовки перед установкой. После разупаковки и очистки платы, как правило, выполняется следующая последовательность операций.

1. Нанесение паяльной пасты. Паяльная паста наносится на контактные площадки либо с помощью дозатора, либо через трафарет. При выполнении данной операции необходимо получение отпечатков, содержащих определенный объем пасты. Недостаток пасты может приводить к отсутствию соединения, избыток - к перемычкам и низкой прочности соединения. Объем пасты зависит от конструкции конкретного компонента и размера контактной площадки.

Использование дозатора - более гибкий, но менее точный и производительный метод, обычно применяющийся при опытном производстве. Пасты для дозирования поставляются в стандартных шприцах, совместимых с большей частью оборудования. На шприц устанавливаются иглы различного диаметра, обеспечивающие нанесение определенного объема пасты. Также объем пасты может регулироваться давлением и временем нанесения. При длительном дозировании паста нагревается, что изменяет ее реологические свойства и может приводить к ухудшению качества печати. Дозирование может производиться вручную, либо на автоматическом оборудовании. Некоторые автоматы установки компонентов начального уровня имеют возможность установки дозатора вместо установочной головки.

Трафаретная печать - наиболее распространенный метод нанесения пасты в серийном производстве. Паста наносится путем продавливания ракелем через апертуры (отверстия) в металлическом трафарете. Объем пасты определяется размером апертур и толщиной трафарета. Апертуры, как правило, выполняются несколько меньшими по размерам, чем контактные площадки (примерно на 5-10% с каждой стороны). В некоторых случаях для получения требуемого объема пасты применяются ступенчатые трафареты с переменной толщиной. Трафарет обычно выполняется из нержавеющей стали методом лазерной резки. Также применяются медные трафареты, получаемые травлением, однако их применение ограничено достаточно низкой разрешающей способностью.

Трафаретная печать выполняется на автоматах, полуавтоматах и вручную. Основными режимами, влияющими на качество печати, являются скорость, угол наклона и усилие ракеля. Скорость ракеля обычно задается характеристиками пасты. Типичное ее значение составляет порядка 20-25 мм/с, однако современные пасты допускают печать со скоростью 150-200 мм/с. Типичный угол наклона ракеля составляет 60º. Ракель должен двигаться таким образом, чтобы паста образовала катящийся валик.

Также важным аспектом является отделение трафарета от платы.

Автоматы выполняют нанесение полностью автоматически, включая совмещения трафарета с платой, проход ракеля, отделение трафарета и его очистку. Полуавтоматы обеспечивают необходимые угол наклона и усилие на ракель, а движение ракеля осуществляется оператором вручную по направляющим.

2. Установка компонентов. Установка компонентов осуществляется, как правило, по программе на автоматах установки из стандартных упаковок, в которых компоненты поставляются заводом-изготовителем, но при единичном и мелкосерийном производстве может применяться ручная установка с помощью вакуумного пинцета или манипулятора, а также автоматизированная установка на полуавтомате (манипуляторе с указателем места установки компонента по программе).

Производительность при ручной установке может составлять несколько сотен компонентов в час в зависимости от квалификации сборщика и сложности платы. При полуавтоматической установке производительность лежит в пределах примерно 400-700 компонентов в час.

Производительность при применении автомата в значительной степени зависит от типа автомата, сложности платы и оптимальности программы установки. Типичная производительность автоматов начального уровня лежит в пределах 1500-5000 компонентов в час. Типичная производительность серийных автоматов составляет 10-50 тыс. компонентов в час. Современные высокоскоростные автоматы обладают максимальной производительностью до нескольких сотен тысяч компонентов в час. Однако следует отметить, что максимальная производительность на практике не достигается. Для реальной оценки производительности автомата необходимо его максимальную производительность умножить на эмпирический коэффициент, зависящий от сложности устройств, выпускаемых на предприятии. В большинстве случаев данный коэффициент лежит в пределах 0,5-0,6.

В современном оборудовании захват компонентов осуществляется вакуумной головкой. Для захвата тяжелых компонентов применяются специальные насадки. Разработчики компонентов для обеспечения возможности вакуумного захвата создают сбалансированные компоненты с определенным центром масс. В некоторых случаях (например, у длинных мезанинных разъемов), возможность захвата вакуумом требует специальных деталей с широкой горизонтальной плоскостью, снимаемых с компонента после установки.

Можно выделить три группы компонентов по сложности установки: обычные компоненты (ЧИП-компоненты в корпусах до 0402 включительно, микросхемы с шагом выводов до 0,8 мм и т.п.); компоненты с мелким шагом, также называемые Fine-Pitch-компоненты, шаг выводов которых менее 0,8 мм, а также ЧИП-компоненты в корпусах 0201 и менее; микросхемы с матричным расположением выводов (BGA, μ-BGA и др.) Точность установки компонентов первой группы и мелких ЧИП-компонентов на паяльную пасту должна обеспечивать попадание вывода или контактной поверхности компонента своей большей частью (порядка 80%) на контактную площадку и отсутствие попадания на соседнюю площадку. Высокой точности установки не требуется, поскольку при оплавлении силы поверхностного натяжения пасты центрируют компонент. Установка компонентов второй группы без применения автомата весьма сложна, а компонентов третьей группы в производственных условиях практически невозможна. При автоматической установке компоненты второй и третьей группы требуют высокоточных автоматов, которые для установки обычных компонентов в серийном производстве, как правило, не применяются из-за снижения производительности. Поэтому при наличии на плате компонентов различных групп установка производится, как минимум, в два этапа: сначала на высокопроизводительном оборудовании устанавливаются обычные компоненты, поскольку они менее чувствительны к возможному смещению при дальнейших операциях, а затем на высокоточном оборудовании - Fine-Pitch и прочие компоненты. В мелкосерийном и единичном производстве для установки компонентов с мелким шагом и матричным расположением выводов применяются специальные прецизионные установки с оптической системой совмещения.

3. Пайка оплавлением. Процесс оплавления припоя, содержащегося в паяльной пасте, выполняется в печах путем нагрева печатной платы с компонентами. Нагрев может осуществляться различными способами: инфракрасный (ИК), конвекционный нагрев и нагрев в паровой фазе. Наиболее широкое распространение получил конвекционный нагрев.

ИК-нагрев осуществляется ИК лампами. Основным недостатком ИК-метода является зависимость температуры от степени черноты нагреваемой поверхности, в результате чего корпуса компонентов часто нагреваются до бόльших температур, чем паста. Из-за неравномерности нагрева данный метод в настоящее время самостоятельно практически не применяется. В некотором оборудовании ИК-метод используется в комбинации с конвекцией. Конвективная пайка осуществляется с помощью потоков горячего воздуха или азота. Печи, предназначенные для серийного производства, позволяют получить достаточно равномерный нагрев. Возможность применения азота позволяет получать более качественные паяные соединения. Пайка в паровой фазе осуществляется путем передачи тепла от испаренного теплоносителя. Данный метод является самым безопасным для изделия, но и самым дорогим.

Пайка оплавлением выполняется путем изменения температуры по заданному закону, называемому температурным профилем пайки (). Типичный профиль состоит из постепенного нагрева с заданной скоростью до температуры предварительного нагрева (первый фронт), выдержки (первая ступень), нагрева до т.н. пиковой температуры (второй фронт), превышающей температуру плавления припоя, небольшой выдержки (вторая ступень) и охлаждения с заданной скоростью.

Рис. 1.

Фронты температурного профиля должны иметь определенный наклон, что необходимо для снижения теплового удара. Наклон фронта определяется свойствами паяльной пасты, требованиями, предъявляемыми изготовителями компонентов и конструкцией платы. Если нагрев оказывается слишком быстрым, это может привести к повреждению платы или компонентов, а также неоптимальной работе паяльной пасты. Если нагрев слишком медленный, это необоснованно удлиняет операционный цикл пайки. Типичные значения скорости нагрева лежат в пределах от 2 до 3 ºС/с.

Первая ступень необходима для прогрева платы и компонентов, удаления из них влаги, активации флюса и частичного удаления органических наполнителей, содержащихся в паяльной пасте (высушивание пасты). Температура ступени зависит, в основном, от типа пасты и, как правило, лежит в пределах 100-150ºС для паст на основе эвтектического оловянно-свинцового припоя и 150-175ºС для бессвинцовых паст.

Вторая ступень представляет собой собственно пайку. В этой части профиля осуществляется испарения большей части органических составляющих, включая флюс, и оплавление припойных шариков. Пиковая температура и время выдержки при температуре, выше точки плавления припоя, зависят от многих факторов и выбираются, как правило, для каждого изделия индивидуально. Пониженные температура и время выдержки могут привести к отсутствию плавления припоя, повышенные - к повреждению компонентов, платы, а также вскипанию флюса, что приводит к разбрызгиванию припоя с образованием дефекта «припойные шарики». Разность между максимальной и минимальной допустимыми пиковыми температурами называется окном процесса. Для бессвинцовых сплавов из-за более высокой температуры плавления окно процесса уже, чем для оловянно-свинцовых, поэтому бессвинцовая пайка требует лучшей управляемости процесса.

Охлаждение, также как и нагрев, должно производиться с заданной скоростью.

Реальный профиль оказывается сглаженным за счет теплоемкости платы и компонентов (). Профиль также зависит от точки на плате, поскольку разные области печатного узла обладают различной теплоемкостью.

Рис. 2.

Достижение профиля осуществляется одним из двух способов: либо плата помещается в камеру печи, температура в которой изменяется по заданному закону (камерные печи), либо плата продвигается на конвейере через несколько камер (зон) печи с постоянными температурами (конвейерные печи). Число зон в конвейерных печах определяется требуемыми наклонами фронтов, температурами и скоростью охлаждения. В современных печах, предназначенных для бессвинцовой пайки, число зон, как правило, находится в пределах 7-10. Конвейерные печи более дорогие, но позволяют обеспечить лучшую управляемость процесса и высокую производительность, поэтому камерные печи применяются только в единичном и мелкосерийном производстве.

После операции пайки, в зависимости от типа применяемой пасты, плата может подвергаться отмывке и сушке.

Последовательность операций при применении пайки волной

При применении пайки волной после разупаковки и очистки платы и подготовки компонентов обычно выполняется следующий набор операций.

1. Нанесение клея. Нанесение клея выполняется с помощью ручного или автоматического дозатора из специальных шприцов, в которых клей поставляется. Клей наносится в области расположения компонентов, монтируемых на поверхность, таким образом, чтобы обеспечить приклейку компонента к плате, но не покрыть клеем контактные площадки. Клей, как правило, наносится по одной капле на компонент, или по две капли, образующие «седло». Последний способ применяется обычно для компонентов в цилиндрических корпусах (например, MELF) для предотвращения скатывания компонента. Установка компонентов на клей необходима для их фиксации, в противном случае компоненты могут быть смыты волной припоя.

2. Установка компонентов, монтируемых на поверхность. Установка компонентов производится аналогично установке при применении пайки оплавлением.
Точность установки компонента при использовании клея должна быть достаточно высокой, поскольку компоненты фиксируются клеем, и характерного для пайки оплавления самовыравнивания не происходит. Обычно точность установки определяется размерами и расположением контактных площадок.
Следует заметить, что для компонентов с матричным расположением выводов (BGA, CSP, QFN) пайка волной не применяется, поскольку их контактные поверхности расположены под корпусом компонента, и в их зону доступ волны невозможен.

3. Полимеризация клея. Полимеризация клея завершает процесс фиксации компонентов. Обычно полимеризация производится в сушильных шкафах при повышенной температуре и необходимой вентиляции. Процесс полимеризации определяется типом применяемого клея.

4. Установка компонентов в отверстия. Эта группа операций полностью аналогична установке компонентов при применении технологии монтажа в отверстия. Компоненты должны фиксироваться для обеспечения правильности их положения в процессе пайки. При применении смешанной технологии с пайкой волной компоненты, монтируемые в отверстия, устанавливаются со стороны, противоположной компонентам, монтируемым на поверхность.

5. Нанесение флюса. Флюс наносится на поверхность платы со стороны пайки, т.е. с той стороны, на которую установлены поверхностно монтируемые компоненты.

6. Пайка волной. Пайка волной осуществляется аналогично методу монтажа в отверстия. Компоненты, предназначенные для монтажа на поверхность, выдерживают воздействие волны припоя в течение нескольких секунд, поэтому волна может проходить непосредственно по корпусам компонентов. Корпус компонента может препятствовать попаданию припоя на контактные площадки, образуя, так называемую, теневую зону. Для устранения этого эффекта платы проектируются таким образом, чтобы волна двигалась вдоль сторон микросхем, на которых располагаются выводы, и поперек ЧИП-компонентов. Если микросхема имеет выводы по четырем сторонам, она устанавливается на плату под углом 45º.

После выполнения пайки плата может подвергаться отмывке и сушке.

Другие вариации технологии поверхностного монтажа

Существуют и другие методы сборки печатных узлов, основанные на технологии поверхностного монтажа.

Комбинированный монтаж может выполняться в два этапа: сначала производится монтаж поверхностных компонентов с применением пайки оплавлением, затем установка и пайка компонентов, монтируемых в отверстия, вручную, волной или селективной пайкой. Данный метод является в настоящее время наиболее распространенным для сборки узлов по комбинированной технологии.

При сборке узлов, имеющих компоненты для монтажа на поверхность с обеих сторон платы, сначала производится нанесение пасты и установка на клей компонентов с одной стороны, затем пайка оплавлением, затем установка компонентов на пасту с другой стороны и вновь пайка оплавлением. При этом плата должна переворачиваться после первой пайки, что требует установки в линию специальных устройств переворота. При второй пайке уже существующие паяные соединения, как правило, расплавляются, поэтому компоненты с нижней стороны платы желательно устанавливать на клей, однако в некоторых случаях, когда применяются легкие компоненты, клей не наносится, и компоненты удерживаются силами поверхностного натяжения припоя.

Заключение

Очевидные преимущества поверхностного монтажа приводят к постоянному расширению сферы его применения и развитию технологических методов, применяемых в данной технологии. Особенности отдельных операций, а также современные способы монтажа рассматриваются в специализированных статьях.

Весь модельный ряд манипуляторов серии ХМР предназначен для установки стандартных компонентов повер...

Модели серии XMP-300 применяются для установки стандартных компонентов для поверхностного монтажа в условиях прототипного и мелкосерийного производства.

Базовая система имеет антистатическое исполнение и состоит из держателя платы,...

Цена со скидкой, действительно до 30.04.2019
Товар в наличии на складе

Автомат Quadra DVC EVO является продолжением модельного ряда бюджетных установщиков QUADRA, которые...

Автомат для установки компонентов поверхностного монтажа Quadra DVC EVO является продолжением модельного ряда бюджетных установщиков QUADRA, которые уже 18 лет поставляются на российский рынок и хорошо известны российским производителям электроники. ...

Автомат для установки компонентов поверхностного монтажа с мелким шагом.

Автомат Quadra Membrane предназначен для сборки гибких печатных плат и мембранных клавиатур в условиях мелко и среднесерийного производства. Автомат оснащен вакуумным рабочим столом, что позволяет надежно фиксировать гибкие подложки и предотвращает...

Автомат RS-1 представляет собой универсальное решение для достижения высокой точности и производител...

МОДЕЛЬ 2017 года

Новейший интеллектуальный высокоточный модульный автомат для установки SMT компонентов RS-1 оснащен одной головкой с восемью вакуумными наконечниками и лазерной системой центрирования. Улучшенная лазерная система...

Автомат установщик SMD компонентов и светодиодов с возможностью сборки ПП больших размеров до 1500х3...

Автомат предназначен для монтажа на ПП SMD компонентов, SMD светодиодов и оптических линз. Специальная конструкция конвейерной системы автомата обеспечивает сборку печатных плат больших размеров до 1500х360 мм.

Для установки компонентов помимо...

КЕ-3010AL является новым автоматом в современном поколении машин фирмы JUKI, для установки компонент...

Автомат для установки компонентов поверхностного монтажа KE-3010AL является автоматом балочного типа и оснащен одной головкой с лазерной системой центрирования и шестью вакуумными наконечниками. Автомат осуществляет одновременный захват шести компонентов...

КЕ-3020VAL является новым автоматом в современном поколении машин фирмы JUKI, для установки компонен...

Автомат для установки компонентов поверхностного монтажа KE-3020VAL является автоматом балочного типа и оснащен одной головкой с лазерной системой центрирования и шестью вакуумными наконечниками и одной головкой с одним вакуумным наконечником с системой...

FX-3RA является новым автоматом в поколении высокопроизводительных машин фирмы JUKI для установки ко...

Высокопроизводительный автомат для установки компонентов поверхностного монтажа FX-3RA является новым автоматом в поколении высокопроизводительных машин фирмы JUKI, для установки компонентов поверхностного монтажа. FX-3RA оснащен четырьмя головками...

Универсальный автомат для установки SMT компонентов RX-6 является новым автоматом в поколении высоко...

Высокопроизводительный универсальный автомат для установки SMT компонентов RX-6 оснащен двумя головками (по шесть наконечников на каждой), с лазерной системой центрирования. Лазерная система центрирования автомата позволяет осуществлять 3D измерения...

RX-7 является компактной высокопроизводительной системой для установки компонентов поверхностного мо...

Компактный высокопроизводительный автомат для установки SMT компонентов оснащен двумя высокоскоростными роторными головками с 16-ю наконечниками на каждой и высокоскоростной системой видео центрирования. Головки закреплены на двух балках и могут...

ООО «Совтест» предлагает широкий выбор различных типов питателей для автоматов производства фирмы JU...

1. Ленточные питатели для компонентов в лентах шириной от 8 мм до 72 мм (механические)

2. Ленточные питатели для компонентов в лентах шириной от 8 мм до 72 мм (электронные)

3. Одиночные пенальные питатели регулируются по ширине...

Поверхностный монтаж печатных плат (SMT)

Поверхностный монтаж (или SMT технология) становится всё более распространённым способом сборки электронных узлов на печатных платах. В отличие от традиционных методов монтажа, когда элементы вставлялись в отверстия на печатных платах, поверхностный монтаж предполагает установку компонентов на контактные площадки. Это значительно упрощает процесс. А использование автоматических установщиков позволяет заметно его ускорить, и к тому же повысить производительность.

Рис.1. Пример установки компонентов при разных способах монтажа

5 весомых преимуществ

Поверхностный монтаж печатных плат обладает рядом конструкторских и технологических преимуществ.

1. Миниатюризация печатных узлов. Для поверхностного монтажа можно использовать компоненты, имеющие меньший вес, чем те, что применялись для монтажа в отверстия. Кроме того, SMT монтаж предполагает установку компонентов с двух сторон платы. То есть размер самой платы можно сделать меньше и, как следствие, уменьшить габариты всего печатного узла.

2. Снижение трудоемкости операций. Больше нет необходимости подготавливать выводы перед монтажом и устанавливать их в отверстия. Всё гораздо проще – компоненты фиксируются паяльной пастой или клеем и выравниваются при пайке, причем делают это не люди, а автоматизированные системы. Скорость монтажа при этом возрастает в разы.

3. Улучшение качества передачи сигналов. За счет более плотного размещения компонентов (с двух сторон) и сокращения длины выводов значительно улучшаются электрические характеристики печатных плат.

4. Улучшение ремонтопригодности. Поверхностный монтаж печатных плат позволяет в случае необходимости быстро снимать и переустанавливать компоненты без повреждений. Для этого не требуется равномерно прогревать припой внутри отверстия для извлечения элемента, затем вычищать этот припой. При SMT монтаже достаточно нагреть поверхность с помощью горячего воздуха или азота.

5. Снижение себестоимости. За счет уменьшения размеров печатных плат сокращается расход используемых материалов. Снижаются затраты на упаковку. А полная автоматизация процесса не только повышает производительность, но и снижает риск брака. Таким образом, сокращаются издержки из-за «человеческого фактора».

Необходимое оборудование

Для того, чтобы поверхностный монтаж печатных плат был высокого уровня и соответствовал всем стандартам качества, необходимо специализированное оборудование - автоматические установщики SMD компонентов. Их можно условно разделить на три группы:

Таким образом, в выборе оборудования производитель может ориентироваться исключительно на свою сферу применения. Кому-то нужен установщик для мелкосерийного производства, кому-то - для крупносерийного. Но стоит отметить, что автоматические установщики SMD компонентов, в любом случае, имеют существенные преимущества перед ручным производством:

• большая скорость установки компонентов;
• простые режимы программирования;
• надежность и простота в эксплуатации;
• высокая точность работы;
• совместимость с ПК.

Рис.2. SMD компоненты для поверхностного монтажа печатных плат

Автоматизация процесса установки SMD компонентов стала возможной, благодаря их корпусной структуре. И на сегодняшний день практически все автоматические установщики, осуществляющие поверхностный монтаж печатных плат, могут работать с любыми типами SMD компонентов.

Министерство образования и науки РФ

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР)

Кафедра радиоэлектронных технологий и экологического мониторинга (РЭТЭМ)

Отчет по летнему практическому заданию

Технология поверхностного монтажа.

Выполнил студент гр. 232-5

Кравченко К.В.

«__» ___________ 2005 г.

Принял проф. каф. РЭТЭМ:

Зиновьев Г. В.

«__» ___________ 2005 г.

Томск 2005 -

Введение.

Типы печатных плат.

1. Односторонние печатные платы.

   Двухсторонни печатные платы.

   Многослойные печатные платы.

   Гибкие печатные платы.

   Рельефные печатные платы.

   Высокоплотная печатные платы.

Сборка и монтаж элементов на печатные платы.

1. Типы SMT сборок.

   Нанесение припойной пасты.

   1. Выбор припойной пасты.

      Трафаретный метод нанесения припойной пасты.

      Дисперсный метод нанесения припоя.

Установка компонентов на плату.

1. Автоматическая установка компонентов.

   Ручная установка компонентов.

Поверхностно монтируемые компоненты.

1. Пайка волной припоя.

   Пайка расплавлением дозированного припоя с инфракрасным (ИК) нагревом.

   Пайка расплавлением дозированного припоя в парогазовой фазе (ПГФ).

   Лазерная пайка.

   Пайка в глухие отверстия.

Список использованной литературы.

Введение.

При современном развитии радиоэлектронной промышленности, особенно микроэлектронной и появлением больших интегральных схем (БИС) и сверхбольших интегральных схем (СБИС) стало очевидно, что прежние методы конструкции и монтажа печатных узлов радиоэлектронных устройств не могли обеспечить, те требования, которые предъявляли им, те же корпуса БИС и СБИС с числом выводом более 100 и шагом между ними менее 0,6 мм, поэтому был предложен новый метод, так называемого поверхностного монтажа, когда элементы располагаются не на штыревых выводах вставленных в соответствующие отверстия в печатной плате или припаянные к соответвующим лепесткам, а непосредственно к контактным площадкам на печатной плате, сформированными токоведущими дорожками. Это позволило не только добиться огромной миниатюризации собранных таким образом устройств, но и к значительному снижению массы и стоимости, т.к. данная технология подразумевает наличие полностью автоматизированного производства, практически без участия человеческой силы.

В данном отчете я представляю материал, который был изучен мной по заданию на летнюю технологическую практику.

Типы печатных плат.

Появление печатных плат (ПП) в их современном виде совпадает с началом использования полупроводниковых приборов в качестве элементной базы электроники. Переход на печатный монтаж даже на уровне одно- и двухсторонние плат стал в свое время важнейшим этапом в развитии конструирования и технологии электронной аппаратуры.

Разработка очередных поколений элементной базы (интегральная, затем функциональная микроэлектроника), ужесточение требований к электронным устройствам, потребовали развития техники печатного монтажа и привели к созданию многослойных печатных плат (МПП), появлению гибких, рельефных печатных плат.

Многообразие сфер применения электроники обусловило совместное существование различных типов печатных плат:

Односторонние печатные платы;

Двухсторонние печатные платы;

Многослойные печатные платы;

Гибкие печатные платы;

Рельефные печатные платы (РПП);

Высокоплотная односторонняя печатная плата

Односторонние печатные платы.

Односторонние платы по-прежнему составляют значительную долю выпускаемых в мире печатных плат. В предыдущем десятилетии в США они составляли около 70% объема выпуска плат в количественном исчислении, однако, лишь около 10 % в стоимостном. В Великобритании такие платы составляют около четверти от объема всего производства.

Маршрут изготовления односторонних плат традиционно включает сверление, фотолитографию, травление медной фольги, защиту поверхности и подготовку к пайке, разделение заготовок. Стоимость односторонних плат составляет 0,1 - 0,2 от стоимости двухсторонних плат, это делает их вполне конкурентными, особенно в сфере бытовой электроники.

Отметим, однако, что для современных электронных устройств, даже бытового назначения, односторонние платы часто требуют контурного фрезерования, нанесения защитных маскирующих покрытий, их сборка ведется с посадкой кристаллов непосредственно на плату или поверхностным монтажом.

Пример такой платы в сборе, используемой в цифровом спидометре - альтиметре горного велосипеда, показан на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Пример односторонней печатной платы.

Типовые параметры плат:

Макс. размеры заготовки - 400 мм x 330 мм

Минимальный диаметр отверстия - 0,6-0,4 мм

Минимальная ширина проводника - 0,15 мм

Минимальный зазор - 0,15 мм

Толщина фольги - 36 мкм

Толщина платы - 0,4 - 1,6 мм

Двухсторонние печатные платы.

Двухсторонние платы составляют в настоящее время значительную долю объема выпуска плат, например, в Великобритании до 47 %. Не претендуя на однозначность оценок, а опираясь лишь на собственную статистику последних трех лет, можно оценить долю двухсторонних плат в российском производстве в 65 - 75%.

Столь значительное внимание разработчиков к этому виду плат объясняется своеобразным компромиссом между их относительно малой стоимостью и достаточно высокими возможностями. Технологический процесс изготовления двухсторонних плат, также как односторонних, является частью более общего процесса изготовления многослойных ПП. Однако для двухсторонних плат не требуется применять прессования слоев, значительно проще выполняется очистка отверстий после сверления.

Вместе с тем, для большинства двухсторонних плат за рубежом проектные нормы "проводник / зазор" составляют 0,25 / 0,25 мм (40% от объема выпуска), 0,2 / 0,2 мм (18%) и 0,15 / 0,15 мм (18%). Это позволяет использовать такие платы для изготовления широкого круга современных изделий, они вполне пригодны как для монтажа в отверстия, так и для поверхностного монтажа. Нередко на проводники двухсторонних плат наносится золотое покрытие, рисунок 1.2, а для металлизации отверстий используется серебро рисунок 1.3.

Рисунок 1.2 – Двухсторонняя печатная плата с золотым покрытием проводников.

Рисунок 1.3 – Двухсторонняя печатная плата с металлизироваными серебром отверстиями.

Типовые параметры двухсторонних плат:

Максимальные размеры заготовки - 300x250...500х500 мм;

Минимальный диаметр отверстия - 0.4...0,6 мм;

Минимальная ширина проводника - 0,15 мм;

Минимальный зазор - 0,15 мм;

Толщина фольги - 18..36 мкм;

Толщина платы - 0,4 - 2,0 мм;

Опираясь на опыт многих фирм занимающимся производством печатных плат, прототипы от отечественных заказчиков двухсторонних плат, можно констатировать, что запросы отечественных разработчиков удовлетворяются пока диапазоном проектных норм 0,2 / 0,2 - 0,3 / 0,3 мм, норма 0,15 / 0,15 мм встречается не более, чем в 10% случаев.

Отметим, что отечественные разработчики, точно также как их зарубежные коллеги, закладывают в технические задания на изготовление двухсторонних плат нанесение паяльной маски, маркировку, весьма часто - фрезерование плат по сложному контуру. Как правило, сборка таких плат предусматривает поверхностный монтаж компонентов.

Многослойные печатные платы.

Многослойные печатные платы (МПП) составляют две трети мирового производства печатных плат в ценовом исчислении, хотя в количественном выражении уступают одно- и двухсторонним платам.

По своей структуре МПП значительно сложнее двухсторонних плат. Они включают дополнительные экранные слои (земля и питание), а также несколько сигнальных слоев. На рисунке 1.4 представлена структурная схема многослойной печатной платы.

Для обеспечения коммутации между слоями МПП применяются межслойные переходы (vias) и микропереходы (microvias).

Межслойные переходы могут выполняться в виде сквозных отверстий, соединяющих внешние слои между собой и с внутренними слоями, применяются также глухие и скрытые переходы.

Глухой переход - это соединительный металлизированный канал, видимый только с верхней или нижней стороны платы. Скрытые же переходы используются для соединения между собой внутренних слоев платы. Их применение позволяет значительно упростить разводку плат, например, 12-слойную конструкцию МПП можно свести к эквивалентной 8-слойной. коммутации.

Рисунок 1.4 – Структура многослойной печатной платы.

Специально для поверхностного монтажа разработаны микропереходы, соединяющие между собой контактные площадки и сигнальные слои.

Для изготовления МПП производится соединение нескольких ламинированных фольгой диэлектриков между собой, для чего используются склеивающие прокладки - препреги. Поэтому толщина МПП растет непропорционально быстро с ростом числа сигнальных слоев.

Рисунок 1.6

В связи с этим необходимо учитывать большое соотношение толщины платы к диаметру сквозных отверстий. Например, для МПП с диаметром отверстий 0,4 мм и толщиной 4 мм это соотношение равно 10:1, что является весьма жестким параметром для процесса сквозной металлизации отверстий.

Тем не менее, даже учитывая трудности с металлизацией узких сквозных отверстий, изготовители МПП предпочитают достигать высокой плотности монтажа за счет большего числа относительно дешевых слоев, нежели меньшим числом высокоплотных но, соответственно, более дорогих слоев.

В современных МПП широко применяется поверхностный монтаж всех видов современных интегральных схем, включая, как это показано на рисунке, бескорпусных схем, заливаемых компаундом после разварки выводов.

Рисунок 1.7 – Пример разтолщинки 8-слойной печатной платы.

Гибкие печатные платы.

Использование гибких диэлектрических материалов для изготовления печатных плат дает как разработчику, так и пользователю электронных устройств ряд уникальных возможностей. Это прежде всего - уменьшение размеров и веса конструкции, повышение эффективности сборки, повышение электрических характеристик, теплоотдачи и в целом надежности.

Если учесть основное свойство таких плат - динамическую гибкость - становится понятным все возрастающий объем применения таких плат в автомобилях, бытовой технике, медицине, в оборонной и аэрокосмической технике, компьютерах, в системах промышленного контроля и бортовых системах.

Гибкие печатные платы (ГПП) изготавливаются на полиимидной или лавсановой пленке и поэтому могут легко деформироваться даже после формирования проводящего рисунка. Большая часть конструкций гибких ПП аналогична конструкциям печатных плат на жесткой основе.

Односторонние ГПП - наиболее распространены в этом классе плат, поскольку проявляют наилучшую динамическую гибкость. Контактные площадки таких плат расположены с одной стороны, в качестве материала проводящей фольги чаще всего используется медь.

Односторонние ГПП с двухсторонним доступом имеют один проводящий слой, контактные площадки к которому выполнены с обеих сторон платы.

Двухсторонние ГПП имеют два проводящих слоя, которые могут быть соединены сквозными металлизированными переходами (на рисунке проводники нижнего слоя идут перпендикулярно проводникам верхнего слоя). Платы этого типа обеспечивают высокую плотность монтажа, часто применяются в электронных устройствах с контролируемым полным сопротивлением (импедансом) плат.

Многослойные ГПП содержат не менее трех проводящих слоев, соединенных металлизированными отверстиями, которые обеспечивают межслойное соединение. В таких платах проще реализовывать высокую плотность монтажа, поскольку не требуется обеспечивать большие значения соотношений "высота/диаметр отверстия". Прогнозируется применение таких ГПП для сборки на них многокристальных интегральных схем.

Жестко-гибкие ПП являются гибридными конструкциями и содержат как жесткие, так и гибкие основания, скрепленные между собой в единую сборку и электрически соединенные металлизированными отверстиями. Наиболее распространены в изделиях оборонной техники, однако расширяется их применение и в промышленной электронике.

ГПП с местным ужесточением (укреплением) .В таких платах возможно размещение внутри гибкой основы жестких металлических деталей. Получаются многоэтапным процессом фотолитографии и травления.

Рельефные печатные платы (РПП).

Конструкция и технология изготовления РПП существенно отличаются от традиционных двухсторонних (ДПП) и многослойных (МПП) плат. Заметим, что авторами большинства конструкций и технологий РПП в нашей стране являются А.В. Богданов и Ю.А. Богданов.

РПП (рисунок 1.8) представляет собой диэлектрическое основание, в которое углублены медные проводники, выполненные в виде металлизированных канавок, и сквозные металлизированные отверстия, имеющие форму двух сходящихся конусов. Такие канавки и отверстия заполняются припоем. Обычно РПП имеют два проводящих и один изоляционный слой.

Рисунок 1.8 – Рельефная печатная плата.

Как видно из рисунка 1.9, элементы проводящего рисунка могут быть следующих видов:

прямолинейные проводники на первом и втором слоях; переходные металлизированные отверстия (для электрического соединения элементов рисунка на проводящих слоях);

сквозные монтажные металлизированные отверстия (для монтажа штыревых выводов электронных компонентов;

металлизированные ламели (для монтажа планарных выводов электронных компонентов;

глухие монтажные металлизированные отверстия (для монтажа планарных выводов электронных компонентов, формованных для пайки встык).

Проводники прямолинейны и параллельны осям Х и У, что связано с особенностью технологического оборудования изготовления канавок.

Рисунок 1.9 – Рисунок проводящих элементов.

Характеристики рельефных плат.

Диаметр переходных металлизированных отверстий на поверхности диэлектрического основания не превышает ширины проводника. При этом контактные площадки вокруг переходных отверстий отсутствуют. Это обеспечивает возможность установки переходов в шаге трассировки (в соседних дискретах трассировки) без всяких ограничений. Обычно трассировка РПП проводится в строго ортогональной системе, что означает проведение горизонтальных проводников на одном проводящем слое, а вертикальных проводников - на другом. Это обеспечивает большие трассировочные возможности, чем при других системах, но при этом появляется большое число переходов. Однако для РПП, в отличие от любых других, переходы повышают, а не понижают надежность платы.

Рисунок 1.10 – Основные размеры РПП.

Основным параметром конструкции РПП, определяющим другие ее параметры, является минимальный шаг трассировки minH. Здесь существенно использование переменного шага трассировки. Первоначально это диктовалось применяемым технологическим оборудованием, обеспечивавшим перемещение с дискретностью 10 мкм. В дальнейшем обнаружилось, что это повышает трассировочные возможности за счет симметричного прохождения трасс через большинство монтажных точек. Кроме того, переменный шаг позволяет повысить технологичность путем смещения центров переходных отверстий от краев монтажных точек.

На рисунок 1.11 приведены варианты используемых постоянных и переменных шагов трассировки для РПП с микросхемами, имеющими следующие типы и шаги внешних выводов: штыревые - 2,5 мм, планарные - 1,25 мм и планарные - 1,0 мм.

Рисунок 1.11 - Варианты используемых постоянных и переменных шагов трассировки.

В таблице 1 приведены типовые значения конструктивных параметров РПП для minH рис 3. И таблицы видно, что особенностью РПП является их малая толщина по сравнению с ПП. Это в сочетании с насыщенностью металлом диэлектрического основания обеспечивает хорошую теплопроводность. Сечение меди в канавках обеспечивает погонное сопротивление 3-3,5 Ом/м и предельный ток по проводнику 300-400 мА. Эти параметры следует принимать во внимание при проектировании цепей питания, а так же сильноточных сигнальных цепей.

Таблица 1 - Типовые значения конструктивных параметров РПП.

Малый шаг трассировки в сочетании с переходными отверстиями в шаге трассировки обеспечивает высокие трассировочные возможности РПП.

Сравнение технологических и стоимостных характеристик рельефной и многослойной печатной платы:

Трассировочная способность

Плотность размещения элементов на РПП эквивалентна 6-8 слоям МПП. Например, между выводами стандартного DIP корпуса можно проводить до 5 проводников. Высокая трассировочная способность объясняется, в частности тем, что переходные отверстия могут быть расположены в шаге проводников.

Электрические характеристики

Так как поперечное сечение проводника РПП имеет форму трапеции, то по постоянному току его сопротивление в 1,5 раза меньше, чем у плоских проводников. Характеристики по переменному току у РПП и МПП существенно не отличаются.

Механические характеристики

РПП - принципиально тонкая плата (0,8 мм). Поэтому для установки массивных элементов или для плат большого размера требуется механическая арматура. Но, с другой стороны, РПП очень устойчивы к изгибу. Для РПП не страшны прогибы до 40-50%.

Изготовление ламелей

РПП - тонкие платы, поэтому прямое изготовление ламелей для разъемов типа ISA-РС может не обеспечить достаточно надежного контакта. Для решения указанной проблемы имеется специальный технологический прием, позволяющий получить в районе ламелей удвоенную толщину (1,5 мм), чем и обеспечивается надежное соединение.

Стойкость к воздействию внешних факторов

РПП ничем не уступают по стойкости к воздействию внешних факторов традиционным платам. Более того, металлизация РПП выполняется из химически однородной меди и для РПП проблема контакта в области переходного отверстия отсутствует.

Поддержка САПР

Система изготовления РПП совместима практически с любой САПР: PCAD 4.5 .. 8.5 и др.

Серийноспособность

Изготовление РПП не предполагает какой-либо особенной подготовки производства (фотошаблоны, матрицы). Время изготовления платы средней степени сложности составляет 48 часов. Стоимость РПП заметно ниже стоимости многослойных плат для малых серий до 100 - 1000 шт. Однако при увеличении количества стоимость снижается не столь существенно как для многослойных или двусторонних плат. Поэтому изготовление партий РПП более 10000 должно быть тщательно экономически обосновано.

Стоимостные характеристики

При сравнении восьмислойной МПП с РП по средним показателям стоимости получается уменьшение:

для методы фрезерования - приблизительно в 16 раз;

для метода прессования - приблизительно в 36 раз;

для метода литья - приблизительно в 100 раз.

Высокоплотные печатные платы.

Пример высокоплотной печатной платы представлен на рисунке 1.13

Сборка и монтаж элементов на печатные платы.

Особенностью современного производства электронных устройств является все более широкое применение больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС). При этом существенно возрастает количество выводов каждой схемы, расстояния между выводами уменьшаются с 2,5 мм до 0,625 мм и менее.

Установка многовыводных корпусов БИС И СБИС на печатные платы технически и экономически более эффективна не в сквозные отверстия, а на контактные площадки, расположенные на поверхности печатных плат.

Этим объясняется все боле широкий переход от монтажа компонентов в отверстия (PTH - Plated Through Hole) к технологии поверхностного монтажа (SMT - Surface Mount Technology).

Вместе с тем, в в настоящее время в большинстве серийных электронных блоков применяют как поверхностный монтаж, так и монтаж в отверстия. Это связано с тем, что конструкции ряда компонентов не пригодны для поверхностного монтажа. Кроме того, в устройствах, работающих в условиях ударных и вибрационных перегрузок, предпочитают монтаж в отверстия из-за более надежного крепления компонентов.

Процесс монтажа элементов на РП существенно не отличается от стандартных процессов. Возможен монтаж в отверстия и на поверхность с применением ручной пайки, пайки волной, пайки в инфракрасных и конвекционных печах. Единственное, что нужно учесть при формовке и установке элементов - это то, что монтажные ламели заглублены на 0,1 мм относительно поверхности платы.

Типы SMT сборок.

Surface-Mount Technology (SMT) - технология поверхностного монтажа.

В электронной промышленности существует шесть общих типов SMT сборки, каждому из которых соответствует свой порядок производства. Когда разработчик выбирает тип сборки, его целью должна быть минимизация числа операций, так как каждая операция может увеличивать промышленную стоимость. Существует специальный стандарт, в котором представлены основные виды сборок, разбитые по классам.

SMC и IPC документация по поверхностному монтажу на платы, IPC-7070, J-STD-013 и National Technology Roadmap for Electronic Interconnections включают следующие классификацию следующих схемы поверхностного монтажа:

Тип 1 - монтируемые компоненты установлены только на верхнюю сторону или interconnecting structure

Тип 2 - монтируемые компоненты установлены на обе стороны платы или interconnecting structure

Класс А - только through-hole (монтируемые в отверстия) компоненты

Класс В - только поверхностно монтируемые компоненты (SMD)

Класс С - смешанная: монтируемые в отверстия и поверхностно монтируемы компоненты

Класс Х - комплексно-смешанная сборка: through-hole, SMD, fine pitch, BGA

Класс Y - комплексно-смешанная сборка: through-hole, surface mount, Ultra fine pitch, CSP

Класс Z - комплексно-смешанная сборка: through-hole, Ultra fine pitch, COB, Flip Chip, TCP

Операции используемы при различных типах сборки:

Нанесение пасты и установка SMT компонентов на верхнюю сторону платы.

Нанесение пасты и установка SMT на нижнюю сторону платы.

Нанесение клея и установка SMT компонентов на нижнюю сторону платы с последующем его высыханием.

Автоматическая установка DIP компонентов.

Автоматическая установка координатных компонентов (такие как светодиоды и т.п.).

Ручная установка других компонентов.

Пайка волной или пайка инфракрасным излучением.

Промывка плат.

Ручная пайка компонентов.

Ниже будут рассмотрены основные варианты размещения компонентов на плате, применяемые разработчиками. Варианты, где используются корпуса компонентов типа: Ultra fine pitch, COB, Flip Chip, TCP пока не рассматриваются, так как российскими разработчиками печатных плат они почти не используются.

Тип 1В: SMT Только верхняя сторона

Этот тип не является общим так как большинство разработок требует некоторых DIP компонентов. Его называют IPC Type 1B.

Порядок проведения процесса: нанесение припойной пасты, установка компонентов, пайка, промывка.

Тип 2B: SMT Верхние и нижние стороны

На нижней стороне платы размещаются чип-резисторы и другие компоненты небольших размеров. При использовании пайки волной, они будут повторно оплавляться за счет верхнего (побочного) потока волны припоя. При размещение больших компонентов с обеих сторон, типа PLCC, увеличивают издержки производства, потому что компоненты нижней стороны должны устанавливаться на специальный токопроводящий клей. Данный тип называется IPC Type 2B.

Порядок проведения процесса:

нанесение припойной пасты, установка компонентов, пайка, промывка нижней стороны;

нанесение припойной пасты на верхнюю сторону печатной платы, установка компонентов, повторная пайка, промывка верхней стороны.