Кіріспе
Электрондық схемаларды өндіру әдісі
Беткі монтаждау технологиясы (SMT), бастапқыда жазық монтаждау деп аталған, электрлік компоненттерді баспалы схема тақтасының (PCB) бетіне тікелей орнату әдісі болып табылады. Осылай орнатылған электрлік компонент жер үстіне орнатылатын құрылғы (SMD) деп аталады. Өнеркәсіпте бұл тәсіл көбінесе компоненттерді орнатудың тесік арқылы технологиясымен салыстырғанда басымдыққа ие, себебі SMT өндірістік процестерді автоматтандыруға мүмкіндік береді, бұл шығындарды төмендетіп, сапаны арттырады. Сонымен қатар, бұл технология субстраттың белгілі бір ауданына көбірек компоненттерді орналастыруға мүмкіндік береді. Екі технология да бір тақтада қолданылуы мүмкін, ал тесік арқылы технология көбінесе үлкен трансформаторлар және жылуды таратуға арналған қуатты жартылай өткізгіштер сияқты беткі монтаждауға жарамсыз компоненттер үшін қолданылады. SMT компоненттері әдетте тесік арқылы орнатылатын компоненттерге қарағанда кішірек болады, себебі оларда кішірек қосымша ұштары немесе мүлдем қосымша ұштары болмайды. Олар әртүрлі стильдегі қысқа немесе ұзын қосымша ұштарға, жалпақ контактілерге, құйма шарларының матрицасына (BGA) немесе компонент корпусындағы қосымша ұштарға ие болуы мүмкін.
Тарих
Жер бетіне орнату технологиясы 1960 жылдары әзірленді. 1986 жылға қарай, жер бетіне орнатылған компоненттер нарықтың шамамен 10% құрады, бірақ олардың танымал болуы жылдам өсті. 1990 жылдардың соңына қарай, жоғары технологиялық электрондық басылған схемалардың көп бөлігі жер бетіне орнатылатын құрылғылармен доминацияланды. Осы технологиядағы пионерлік жұмыстың көп бөлігі IBM компаниясы жасады. IBM компаниясы 1960 жылы кішкентай компьютерде алғаш көрсеткен жобалау тәсілі кейіннен барлық Saturn IB және Saturn V ұшқыш аппараттарын басқарған аспаптар блогында қолданылған ұшу аппаратының цифрлық компьютері үшін қолданылды. Компоненттер механикалық түрде қайта жобаланып, басылған платаның (PCB) бетіне тікелей дәнекерлеуге болатын кішкентай металл тілшелер немесе қақпақтармен жабдықталды. Компоненттер әлдеқайда кішірейді және компоненттерді тақтаның екі жағына орналастыру, тесіктен орнатуға қарағанда жер бетіне орнату арқылы әлдеқайда жиі кездеседі, бұл жоғарырақ схема тығыздығына және кішкентай схемалық тақталарға, сондай-ақ оларды қамтитын машиналарға немесе кіші жиналымдарға мүмкіндік берді. Көбінесе дәнекерлеудің беттік кернеуі бөлшектерді тақтаға ұстап тұру үшін жеткілікті; сирек жағдайларда тақтаның төменгі немесе "екінші" жағындағы бөлшектер, егер бөлшектің ауданы 30 г/квадрат дюймнан жоғары болса, қайта ағызу пештерінде түсіп қалмауы үшін желіммен бекітілуі мүмкін. SMT компоненттерін бір уақытта SMT және тесіктен орнатылатын компоненттерді дәнекерлеу үшін толқынды дәнекерлеу процесі қолданылса, кейде тақтаның төменгі жағындағы SMT компоненттерін ұстап тұру үшін желім қолданылады. SMT және тесіктен орнатылатын компоненттерді жабысқақсыз бір жақты тақтаға дәнекерлеуге болады, егер SMT бөлшектері алдымен қайта дәнекерленсе, содан кейін оларды ұстап тұрған дәнекердің қайта ағып кетуін және бөлшектердің толқынды дәнекерлеу кезінде қашып кетуін болдырмау үшін селективті дәнекерлеу маскасы қолданылады. Жер бетіне орнату жоғары деңгейде автоматтандыруға өте ыңғайлы, еңбек құнын азайтады және өндіріс деңгейін күрт арттырады. Керісінше, SMT қолмен немесе төмен автоматтандырылған өндіріске жақсы келмейді, бұл бір реттік прототиптеу және шағын көлемді өндіріс үшін экономикалық және жылдам, сондықтан көптеген тесіктен орнатылатын компоненттер әлі де өндіріледі. Кейбір SMD-лерді температураны бақылайтын қолмен дәнекерлеу темірімен дәнекерлеуге болады, бірақ өкінішке орай, өте кішкентай немесе тым жұқа қорғасын қадамы барларды қымбат ыстық ауамен дәнекерлеуді қайта ағызу жабдықтарысыз қолмен дәнекерлеу мүмкін емес. SMD-лердің мөлшері мен салмағы тесіктен орнатылатын аналогтарынан 1/4-тен 1/10-ға дейін, ал құны 1/2-ден 1/4-ке дейін кем болуы мүмкін, бірақ екінші жағынан, белгілі бір SMT бөлшегінің және тесіктен орнатылатын аналогтарының құны өте ұқсас болуы мүмкін, бірақ SMT бөлшегі сирек жағдайда ғана қымбат болады.
Жалпы қысқартулар
Өндірісте қолданылатын компоненттер, техника және жабдықтар әртүрлі терминдермен сипатталады. Бұл терминдер келесі кестеде тізілген:
Тақталар алдымен алдын ала қыздыру аймағына жіберіледі, онда термиялық соққының алдын алу үшін тақтаның және барлық компоненттердің температурасы біртіндеп, біркелкі көтеріледі. Содан кейін тақталар дәнекерлеу пастасындағы дәнекер бөлшектерін балқытатын аймаққа кіреді, компоненттердің қосымшаларын тікелей тіркемелі тақтаға жабыстырады. Балқыған дәнекердің беттік кернеуі компоненттерді орнында ұстауға көмектеседі, ал дәнекерлеу жастықтарының геометриясы дұрыс есептелген болса, беттік кернеу компоненттерді жастықтарында автоматты түрде туралайды. Дәнекерді қайта құюдың бірнеше әдісі бар. Бірі – инфрақызыл шамдарды пайдалану, бұл инфрақызыл қайта құю деп аталады. Тағы бірі – ыстық газ конвекциясын пайдалану. Тағы бір технология, қайтадан танымал бола бастаған, – жоғары қайнау нүктесі бар арнайы фторкөміртекті сұйықтықтар, олар бу фазалық қайта құю деп аталатын әдісті қолданады. Қоршаған ортаға қатысты алаңдаушылықтарға байланысты, қорғасынсыз заңнама енгізілгенге дейін бұл әдіс қолданудан шығып кеткен еді, ол дәнекерлеуді қатаң бақылауды талап етеді. 2008 жылдың соңында конвекциялық дәнекерлеу стандартты ауа немесе азот газын пайдалана отырып, ең танымал қайта құю технологиясы болды. Әр әдістің өз артықшылықтары мен кемшіліктері бар. Инфрақызыл қайта құю кезінде тақтаның дизайны қысқа компоненттер биік компоненттердің көлеңкесіне түспейтіндей етіп жасалуы керек. Компоненттердің орналасуына шектеулер аз, егер дизайнер бу фазалық қайта құю немесе конвекциялық дәнекерлеу өндірісте қолданылатындығын білсе. Дәнекерді қайта құюдан кейін кейбір ерекше немесе жылуға сезімтал компоненттер қолмен немесе кең ауқымды автоматтандыру арқылы, фокустық инфрақызыл сәуле (FIB) немесе жергілікті конвекциялық жабдықтар арқылы орнатылып, дәнекерленуі мүмкін. Егер схемалық тақта екі жақты болса, онда осы басып шығару, орналастыру, қайта құю процесі компоненттерді орнында ұстап тұру үшін дәнекерлеу пастасын немесе желімді пайдалана отырып қайталанады. Егер толқынды дәнекерлеу процесі қолданылса, бөлшектерді өңдеуден бұрын тақтаға жабыстыру керек, оларды ұстап тұрған дәнекерлеу пастасы еріген кезде олардың қозғалуын болдырмау үшін. Дәнекерлеуден кейін тақталарды флюс қалдықтарын және жақын аралықтағы компоненттердің қосымшаларын қысқаша ажырата алатын кез келген шашыраған дәнекер шарларын жою үшін жууға болады. Канифоль флюсын фторкөміртекті еріткіштермен, жоғары тұтану нүктесі бар көмірсутек еріткіштермен немесе төмен тұтану нүктесі бар еріткіштермен, мысалы лимоненмен (апельсин қабығынан алынған), олар қосымша шаю немесе кептіру циклдарын қажет етеді, алып тастауға болады. Суда еритін флюстар иондалған сумен және жуғыш затпен алынып тасталады, содан кейін қалдық суды тез жою үшін ауамен шайылады. Алайда, көптеген электрондық құрастырулар "Тазалаусыз" процесін қолдана отырып жасалады, онда флюс қалдықтары схемалық тақтада қалдырылады, өйткені олар зиянсыз деп саналады. Бұл тазалау шығындарын үнемдейді, өндіріс процесін жылдамдатады және қалдықтарды азайтады. Алайда, "Тазалаусыз" процесі қолданылса да, егер қолданба өте жоғары жиілікті (1 ГГц-тан жоғары) сағат сигналдарын қолданса, құрастыруды жуу ұсынылады. Таза қалдықтарды жоюдың тағы бір себебі – конформды жабындардың және толтыру материалдарының жабысуын жақсарту. Осы басылған тізбек тақтарын тазалаудан немесе тазаламаудан тәуелсіз, қазіргі индустриялық тенденция "Тазалаусыз" қолданылатын басылған тізбек тақтасын құрастыру процесін мұқият қарастыруды ұсынады, өйткені компоненттер мен радиожиілік қалқандарының астында қалған флюс қалдықтары, әсіресе жоғары компоненттік тығыздықтағы тақталарда, беттік оқшаулау кедергісіне (SIR) әсер етуі мүмкін. Кейбір өндірістік стандарттар, мысалы IPC Association Connecting Electronics Industries жазған стандарттар, таза тақтаны қамтамасыз ету үшін қолданылатын дәнекерлеу флюсының түріне қарамастан тазалауды талап етеді. Дұрыс тазалау дәнекер флюсының барлық іздерін, сондай-ақ көзге көрінбейтін ластануларды және басқа да ластануларды жояды. Тазалау немесе басқа дәнекерлеу процестері "ақ қалдықтарды" қалдыра алады, олар IPC бойынша "бұл қалдықтар қабылданған және құжатталған жағдайда" қабылданады. Алайда, IPC стандартына сәйкес келетін цехтар Ассоциацияның ережелерін ұшақтағы жағдайда ұстануы керек, бірақ барлық өндіріс мекемелері IPC стандартын қолданбайды, сондай-ақ оны қолдануға міндетті емес. Сонымен қатар, кейбір қолданбаларда, мысалы, төменгі деңгейдегі электроникада, мұндай қатаң өндіріс әдістері шығындар мен уақыт тұрғысынан артық. Соңында, тақталар жоқ немесе дұрыс емес орналасқан компоненттерді және дәнекер көпірлерін анықтау үшін визуалды түрде тексеріледі. Қажет болса, олар кез келген қателерді түзету үшін жөндеу станциясына жіберіледі. Содан кейін олар әдетте сынақ станцияларына (тізбек ішіндегі сынақ және/немесе функционалдық сынақ) дұрыс жұмыс істейтінін тексеру үшін жіберіледі. Басылған тізбек тақтасын өндіруде автоматты оптикалық инспекция (AOI) жүйелері кеңінен қолданылады. Бұл технология процесті жақсарту және сапаны жетілдіру үшін өте тиімді екенін дәлелдеді.
Кемшіліктер
SMT жиі механикалық жүктемеге ұшырайтын компоненттерге, мысалы, сыртқы құрылғылармен байланысу үшін жиі қосылып, ажыратылатын жалғастырғыштарға жалғыз бекіту әдісі ретінде қолайсыз болуы мүмкін. SMD-нің дәнекерлеу тігістері термиялық циклға түсетін құйма қоспаларынан зақымдануы мүмкін. Көптеген SMD-нің кіші өлшемдері мен қорғасын аралықтары болғандықтан, прототипті қолмен құрастыру немесе компонент деңгейінде жөндеу қиын, білікті операторлар мен қымбат құралдар қажет. Кішкентай SMT компоненттерін ұстау қиын, оларға пинцет қажет, ал көбінесе тесік арқылы орналасатын компоненттерге мұндай қажеттілік жоқ. Тесік арқылы орналасатын компоненттер бір рет енгізілгеннен кейін (гравитация күшімен) өз орнында қалады және дәнекерлеу алдында дәнекерлеу жағындағы екі қорғасынды бүгіп механикалық түрде бекітілуі мүмкін, ал SMD-лер дәнекерлеу темірінің тиюімен оңай орнынан жылдырылады. Тиісті дағды болмаса, компонентті қолмен дәнекерлеу немесе дәнекерлеу кезінде, жақын орналасқан SMT компонентінің дәнекерін кездейсоқ қайтадан балқыту және оны қасақана жылдыру оңай, мұндай нәрсе тесік арқылы орналасатын компоненттермен жасау мүмкін емес. Көптеген SMT компоненттік корпустарын ұяларға орнатуға болмайды, олар схеманы өзгерту үшін компоненттерді оңай орнатуға немесе ауыстыруға және істен шыққан компоненттерді оңай алмастыруға мүмкіндік береді. (Көбінесе тесік арқылы орналасатын компоненттерді ұяларға орнатуға болады.) SMD-ні тікелей қосылатын макеттік тақталармен (прототиптеудің жылдам құрастыру құралы) пайдалануға болмайды, бұл әрбір прототип үшін жеке PCB жасауды немесе SMD-ні қорғасынды тіреуге орнатуды талап етеді. Нақты бір SMD компонентінің прототипін жасау үшін арзан сынық тақта қолданылуы мүмкін. Сонымен қатар, стрипборд стиліндегі макеттік тақталарды қолдануға болады, олардың кейбіреулері стандартты өлшемдегі SMD компоненттері үшін контактілік жастықшаларды қамтиды. Прототиптеу үшін "өлген қоңыз" макеттік тақтасын пайдалануға болады. SMT-дегі дәнекерлеу тігісінің өлшемдері өте ұсақ пішінді технологияға қарай дами келе тез кішірейеді. Дәнекерлеу тігісінің сенімділігі алаңдатады, өйткені әрбір тігіске аздаған дәнекерлеу материалы ғана қолданылады. Дәнекерлеу тігісіндегі қуыстар жиі кездесетін ақау, әсіресе SMT қолданбасында дәнекерлеу пастасын қайтадан балқыту кезінде. Қуыстар тігістің беріктігін азайтады және тігістің істен шығуына әкелуі мүмкін. SMD, әдетте, тесік арқылы орналасатын эквивалентті компоненттерден кішірек болғандықтан, таңбалау үшін бетінің ауданы аз, сондықтан таңбаланған бөлік идентификациялық кодтары немесе компоненттік мәндері құпия және кішкентай болуы керек, көбінесе оқылуы үшін үлкейту қажет, ал үлкен тесік арқылы орналасатын компонентті көзбен оқуға және анықтауға болады. Бұл прототиптеу, жөндеу, қайта өңдеу, кері инженерия және мүмкін өндіріс орнату үшін кемшілік.
Пакеттер
Жер бетіне орнатылатын компоненттер көбінесе қорғасынды компоненттерден кішірек болады және оларды адамдар емес, машиналармен жұмыс істеуге ыңғайлы етіп жасалған. Электроника өнеркәсібі қаптама пішіндері мен өлшемдерін стандарттаған (негізгі стандарттау ұйымы – JEDEC).
Сәйкестендіру
Резисторлар 5% дәлдікті SMD резисторларының кедергі мәндері әдетте үш санмен белгіленеді: екі маңызды сан және көбейткіш саны. Бұл көбінесе қара фонға ақ әріптермен жазылады, бірақ басқа түсті фондар мен әріптер де қолданылуы мүмкін. 1% дәлдікті SMD резисторлары үшін код қолданылады, себебі үш сан жеткілікті ақпарат бере алмайды. Бұл код екі саннан және әріптен тұрады: сандар мәннің E96 тізіміндегі орнын көрсетеді, ал әріп көбейткішті көрсетеді. Конденсаторлар Электролиттік емес конденсаторлар көбінесе белгіленбейді, ал олардың мәнін анықтаудың жалғыз сенімді тәсілі – оларды тізбектен алып, сыйымдылық өлшегішпен немесе кедергі көпірімен өлшеу. Конденсаторларды жасау үшін қолданылатын материалдар, мысалы, никель танталаты, әртүрлі түстерге ие, және олар компоненттің сыйымдылығы туралы шамамен ақпарат бере алады. Жалпы, физикалық өлшемі сыйымдылыққа және (квадрат) кернеуге пропорционалды, егер диэлектрик бірдей болса. Мысалы, 100 нФ, 50 В конденсаторы 10 нФ, 150 В құрылғысымен бірдей корпуста болуы мүмкін. SMD (электролиттік емес) конденсаторлары, әдетте, монолиттік керамикалық конденсаторлар, аяқ қалпақтары жабылмаған төрт жағында бірдей түске ие болады. SMD электролиттік конденсаторлары, көбінесе танталь конденсаторлары, және пленкалық конденсаторлар резисторлар сияқты екі маңызды санмен және пикофардтармен (pF) немесе (10−12 фард) бірліктерімен көбейткішпен белгіленеді. Индукторлар Ағымның орташа жоғары деңгейімен кішкентай индуктивтілік көбінесе феррит сақиналы типте болады. Олар феррит сақинасы арқылы өткен металл өткізгіштен тұрады және тесік арқылы орнатылатын нұсқаларына ұқсас, бірақ қосылғыштардың орнына SMD аяқ қалпақтарына ие. Олар қара сұр түсті болып көрінеді және ұқсас қара сұр түсті конденсаторлардан айырмашылығы магниттік қасиеттеріне ие. Бұл феррит сақиналы типтер наногенри (nH) диапазонындағы кішкентай мәндермен шектеледі және көбінесе қуат көзінің рельстерін теңестіруге немесе тізбектің жоғары жиілікті бөліктерінде қолданылады. Үлкен индукторлар мен трансформаторлар, әрине, бірдей тақтаға тесік арқылы орнатылуы мүмкін. Үлкен индуктивтілік мәндері бар SMT индукторларында көбінесе сым немесе жалпақ таспа корпустың айналасында немесе мөлдір эпоксидтің ішінде орналасқан, бұл сымды немесе таспаны көруге мүмкіндік береді. Кейде феррит өзегі де болады. Бұл жоғары индуктивті типтер көбінесе кішкентай ток деңгейімен шектеледі, бірақ кейбір жалпақ таспалы типтер бірнеше амперді көтере алады. Конденсаторлар сияқты, кішкентай индукторлардың компоненттік мәндері мен идентификаторлары көбінесе компоненттің өзінде белгіленбейді; егер олар PCB-де көрсетілмеген немесе басылмаған болса, оларды анықтаудың жалғыз жолы – тізбектен алып өлшеу. Үлкен индукторлар, әсіресе үлкен іздердегі сым орамалы типтер, көбінесе мәні жоғарғы жағында басылған. Мысалы, "330", бұл 33 мкГн мәніне тең. Дискретті жартылай өткізгіштер Дискретті жартылай өткізгіштер, мысалы, диодтар мен транзисторлар көбінесе екі немесе үш символдық кодпен белгіленеді. Бірдей код әртүрлі корпустарда немесе әртүрлі өндірушілердің құрылғыларында әртүрлі құрылғыларды білдіруі мүмкін. Көптеген кодтар, құрылғылар үлкен корпустарда қолданылатын дәстүрлі сандармен белгіленуге тым кішкентай болғандықтан, сәйкестік тізіміне жүгінген кезде дәстүрлі бөлшек нөмірлерімен сәйкес келеді. Ұлыбританиядағы GM4PMK сәйкестік тізімін дайындады, сондай-ақ ұқсас PDF тізімі де бар, бірақ бұл тізімдер толық емес. Интегралды схемалар Жалпы алғанда, интегралды схемалардың корпустары толық бөлшек нөмірімен, яғни өндірушінің арнайы префиксімен, немесе бөлшек нөмірдің маңызды бөлігімен және өндірушінің атауымен немесе логотипімен белгіленуге жеткілікті.