Введение
Метод производства электронных схем
Технология поверхностного монтажа (SMT), первоначально называемая плоским монтажом, – это метод, при котором электрические компоненты монтируются непосредственно на поверхность печатной платы (PCB). Электрический компонент, установленный таким образом, называется компонентом поверхностного монтажа (SMD). В промышленности этот подход во многом заменил метод конструирования с использованием технологии монтажа в сквозные отверстия, главным образом потому, что SMT обеспечивает более высокую степень автоматизации производства, что снижает стоимость и повышает качество. Он также позволяет разместить больше компонентов на заданной площади подложки. Обе технологии могут использоваться на одной плате, при этом технология монтажа в сквозные отверстия часто применяется для компонентов, не подходящих для поверхностного монтажа, таких как большие трансформаторы и силовые полупроводники с теплоотводами. Компонент SMT обычно меньше своего аналога для монтажа в сквозные отверстия, поскольку имеет более короткие выводы или вообще не имеет выводов. Он может иметь короткие контакты или выводы различных типов, плоские контакты, матрицу шариков припоя (BGAs) или выводы на корпусе компонента.
История
Технология поверхностного монтажа была разработана в 1960-х годах. К 1986 году на компоненты поверхностного монтажа приходилось не более 10% рынка, но их популярность быстро росла. К концу 1990-х годов подавляющее большинство высокотехнологичных электронных печатных плат состояло из устройств поверхностного монтажа. Значительная часть пионерских разработок в этой технологии была выполнена компанией IBM. Подход к проектированию, впервые продемонстрированный IBM в 1960 году в небольшом компьютере, позже был применен в цифровом вычислительном комплексе ракеты-носителя, использованном в приборном отсеке, который управлял всеми ракетами-носителями Saturn IB и Saturn V. Компоненты были механически переработаны, чтобы иметь небольшие металлические выступы или концевые колпачки, которые можно было непосредственно припаять к поверхности печатной платы. Компоненты стали значительно меньше, а размещение компонентов с обеих сторон платы стало гораздо более распространенным при поверхностном монтаже, чем при сквозном монтаже, что позволило достичь более высокой плотности монтажа и уменьшить размеры печатных плат, а также машин или подсистем, содержащих эти платы. Зачастую поверхностного натяжения припоя достаточно для удержания компонентов на плате; в редких случаях компоненты на нижней или "второй" стороне платы могут быть закреплены точкой клея, чтобы предотвратить их отрыв внутри печей оплавления, если вес компонента превышает 30 г на квадратный дюйм площади контактной площадки. Клей иногда используется для фиксации компонентов SMT на нижней стороне платы, если процесс волновой пайки применяется для одновременной пайки компонентов SMT и сквозного монтажа. В качестве альтернативы, компоненты SMT и сквозного монтажа могут быть припаяны на одной стороне платы без использования клея, если компоненты SMT сначала подвергаются оплавлению, а затем используется селективный маскирующий лак, чтобы предотвратить повторное плавление припоя, удерживающего эти компоненты, и их смещение во время волновой пайки. Поверхностный монтаж хорошо подходит для высокой степени автоматизации, что снижает трудозатраты и значительно увеличивает объемы производства. В то же время, SMT не подходит для ручной или слабоавтоматизированной сборки, которая является более экономичной и быстрой для изготовления единичных прототипов и мелкосерийного производства, и это одна из причин, по которой многие компоненты сквозного монтажа все еще производятся. Некоторые компоненты SMD можно припаять с помощью ручного паяльника с регулируемой температурой, но, к сожалению, те, которые очень малы или имеют слишком мелкий шаг выводов, невозможно припаять вручную без дорогостоящего оборудования для оплавления припоя горячим воздухом. Компоненты SMD могут быть в четверть или в десятую часть размера и веса, а стоимость эквивалентных компонентов сквозного монтажа может составлять половину или четверть их стоимости, но, с другой стороны, стоимость конкретного компонента SMT и эквивалентного компонента сквозного монтажа может быть вполне сопоставимой, хотя редко компонент SMT оказывается дороже.
Распространенные сокращения
Различные термины описывают компоненты, технологию и оборудование, используемые в производстве. Эти термины перечислены в следующей таблице.
Затем платы поступают в печь рефлоу-пайки. Сначала они входят в предварительную зону нагрева, где температура платы и всех компонентов постепенно и равномерно повышается для предотвращения теплового удара. Затем платы попадают в зону, где температура достаточно высока для расплавления частиц припоя в паяльной пасте, обеспечивая соединение выводов компонентов с площадками на печатной плате. Поверхностное натяжение расплавленного припоя помогает удерживать компоненты на месте, а при правильном проектировании геометрии паяльных площадок поверхностное натяжение автоматически выравнивает компоненты относительно этих площадок. Существует несколько технологий рефлоу-пайки. Одна из них – использование инфракрасных ламп, что называется инфракрасным рефлоу. Другая – использование горячего газового конвектора. Еще одна технология, вновь набирающая популярность, – специальные фторуглеродные жидкости с высокой температурой кипения, использующие метод парофазного рефлоу. Из-за экологических проблем этот метод терял популярность, пока не было введено законодательство об отказе от использования свинца, требующее более строгого контроля за процессом пайки. В конце 2008 года конвекционная пайка была наиболее распространенной технологией рефлоу, использующей либо стандартный воздух, либо азот. Каждый метод имеет свои преимущества и недостатки. При инфракрасном рефлоу конструктор платы должен располагать компоненты таким образом, чтобы короткие компоненты не попадали в тень от высоких. Расположение компонентов менее ограничено, если конструктор знает, что в производстве будет использоваться парофазный рефлоу или конвекционная пайка. После рефлоу-пайки некоторые неровные или чувствительные к нагреву компоненты могут быть установлены и припаяны вручную или, в крупносерийном производстве, с помощью сфокусированного инфракрасного луча (FIB) или локализованного конвекционного оборудования. Если печатная плата двусторонняя, то процесс нанесения пасты, установки компонентов и рефлоу может быть повторен с использованием паяльной пасты или клея для фиксации компонентов. При использовании процесса волновой пайки детали необходимо приклеивать к плате перед обработкой, чтобы они не отрывались при расплавлении паяльной пасты, удерживающей их на месте. После пайки платы могут быть промыты для удаления остатков флюса и любых случайных шариков припоя, которые могут вызвать короткое замыкание между близко расположенными выводами компонентов. Канифольный флюс удаляется фторуглеродными растворителями, углеводородными растворителями с высокой температурой вспышки или растворителями с низкой температурой вспышки, например, лимоненом (полученным из апельсиновых корок), которые требуют дополнительных циклов промывки или сушки. Водорастворимые флюсы удаляются деионизированной водой и моющим средством, за которым следует воздушная струя для быстрого удаления остатков воды. Однако большинство электронных сборок производятся с использованием процесса "No Clean", при котором остатки флюса остаются на плате, поскольку они считаются безвредными. Это позволяет сэкономить на очистке, ускорить производственный процесс и сократить количество отходов. Тем не менее, обычно рекомендуется промывать сборку, даже при использовании процесса "No Clean", если в приложении используются высокочастотные тактовые сигналы (более 1 ГГц). Еще одна причина для удаления остатков "No Clean" – улучшение адгезии защитных покрытий и материалов подзаливки. Независимо от того, промываются платы или нет, современная тенденция в отрасли заключается в тщательном пересмотре процесса сборки печатных плат с применением "No Clean", поскольку остатки флюса, попавшие под компоненты и радиочастотные экраны, могут повлиять на поверхностное сопротивление изоляции (SIR), особенно на платах с высокой плотностью компонентов. Некоторые производственные стандарты, такие как стандарты, разработанные IPC – Ассоциацией производителей электроники, требуют очистки независимо от типа используемого припоя для обеспечения полной чистоты платы. Правильная очистка удаляет все следы флюса, а также грязь и другие загрязнения, которые могут быть невидимы невооруженным глазом. Процессы "No Clean" или другие процессы пайки могут оставлять "белые остатки", которые, согласно IPC, допустимы "при условии, что эти остатки были квалифицированы и задокументированы как безопасные". Однако, хотя от предприятий, соответствующих стандарту IPC, ожидается соблюдение правил Ассоциации относительно состояния платы, не все производственные предприятия применяют стандарт IPC и не обязаны это делать. Кроме того, в некоторых приложениях, например, в недорогой электронике, такие строгие методы производства излишни как с точки зрения затрат, так и времени. Наконец, платы визуально проверяются на наличие отсутствующих или неправильно расположенных компонентов и перемычек припоя. При необходимости они отправляются на станцию переработки, где оператор устраняет любые ошибки. Затем они обычно отправляются на испытательные станции (внутрисхемное и/или функциональное тестирование) для проверки их работоспособности. Автоматические оптические системы контроля (AOI) широко используются в производстве печатных плат. Эта технология доказала свою высокую эффективность для улучшения процессов и достижения качества.
Недостатки
SMT может быть непригоден в качестве единственного метода крепления для компонентов, подвергающихся частым механическим нагрузкам, таких как разъемы, используемые для подключения внешних устройств, которые часто присоединяются и отсоединяются. Паяные соединения SMD могут быть повреждены компаундами для заливки при термоциклировании. Ручная сборка прототипов или ремонт компонентов более сложны и требуют квалифицированных специалистов и более дорогостоящего оборудования из-за малых размеров и шага выводов многих SMD. Обращение с мелкими компонентами SMT может быть затруднительным и требует использования пинцета, в отличие от большинства компонентов с сквозным монтажом. В то время как компоненты с сквозным монтажом остаются на месте (под действием силы тяжести) после установки и могут быть механически зафиксированы перед пайкой путем разгибания двух выводов на стороне пайки, SMD легко смещаются даже при легком касании паяльником. Без достаточного опыта при ручной пайке или демонтаже компонента легко случайно расплавить припой соседнего компонента SMT и непреднамеренно сместить его, что практически невозможно сделать с компонентами с сквозным монтажом. Многие типы корпусов компонентов SMT нельзя установить в цоколи, обеспечивающие простую установку или замену компонентов для модификации схемы и легкую замену неисправных компонентов. (Практически все компоненты с сквозным монтажом можно устанавливать в цоколи.) SMD нельзя использовать напрямую с макетными платами (быстрый инструмент для прототипирования), что требует либо изготовления печатной платы для каждого прототипа, либо монтажа SMD на плату-переходник с выводами. Для прототипирования вокруг конкретного компонента SMD можно использовать менее дорогую плату-переходник. Кроме того, можно использовать макетные платы типа stripboard, некоторые из которых имеют площадки для SMD компонентов стандартных размеров. Для прототипирования можно использовать метод "dead bug". Размеры паяных соединений в SMT быстро уменьшаются по мере развития ультрамелких технологий. Надежность паяных соединений становится все более важной проблемой, поскольку количество припоя, разрешенного для каждого соединения, постоянно уменьшается. Образование пустот – распространенный дефект паяных соединений, особенно при повторном плавлении паяльной пасты в технологии SMT. Наличие пустот может снизить прочность соединения и в конечном итоге привести к его разрушению. SMD, как правило, меньше эквивалентных компонентов с сквозным монтажом, имеют меньшую площадь поверхности для маркировки, что требует более лаконичных и мелких кодов идентификации детали или номиналов компонентов, часто требующих увеличения для чтения, в то время как более крупный компонент с сквозным монтажом можно прочитать и идентифицировать невооруженным глазом. Это является недостатком для прототипирования, ремонта, переработки, обратной разработки и, возможно, для подготовки к производству.
Пакеты
Компоненты для поверхностного монтажа обычно меньше, чем их аналоги с выводами, и разработаны для работы с ними машинами, а не вручную. Электронная промышленность стандартизировала формы и размеры корпусов (ведущая организация по стандартизации – JEDEC).
Идентификация
Резисторы Для 5% прецизионных SMD-резисторов обычно используются три цифры для обозначения их номинального сопротивления: две значащие цифры и цифра-множитель. Обычно это белые символы на черном фоне, но могут использоваться и другие цвета фона и символов. Для SMD-резисторов с точностью 1% используется кодировка, поскольку три цифры в противном случае не передают достаточно информации. Эта кодировка состоит из двух цифр и буквы: цифры обозначают позицию значения в серии E96, а буква – множитель. Конденсаторы Неэлектролитические конденсаторы обычно не имеют маркировки, и единственным надежным способом определения их емкости является извлечение из схемы и последующее измерение с помощью измерителя емкости или измерительного моста. Материалы, используемые для изготовления конденсаторов, такие как никель-танталат, имеют различные цвета, которые могут дать приблизительное представление о емкости компонента. Как правило, физический размер пропорционален емкости и (квадрату) напряжения при одинаковом диэлектрике. Например, конденсатор 100 нФ, 50 В может быть в том же корпусе, что и устройство 10 нФ, 150 В. SMD (неэлектролитические) конденсаторы, которые обычно являются монолитными керамическими конденсаторами, имеют одинаковый цвет корпуса на всех четырех сторонах, не покрытых концевыми крышками. SMD-электролитические конденсаторы (обычно танталовые) и пленочные конденсаторы маркируются аналогично резисторам: двумя значащими цифрами и множителем в единицах пикофарад (пФ) или 10−12 фарад. Индуктивности Индуктивности с меньшей индуктивностью и умеренно высоким номинальным током обычно представляют собой ферритовые бусины. Они состоят из металлического проводника, пропущенного через ферритовую бусину, и практически идентичны их аналогам с выводами, но имеют SMD-контакты вместо выводов. Они выглядят темно-серыми и магнитными, в отличие от конденсаторов аналогичного темно-серого цвета. Эти ферритовые бусины ограничены небольшими значениями в диапазоне наногенри (нГн) и часто используются в качестве фильтров питания или в высокочастотных частях схемы. Более крупные индуктивности и трансформаторы, конечно, могут быть установлены с выводами на той же плате. SMT-индуктивности с более высокими значениями индуктивности часто имеют витки провода или плоские полоски, намотанные вокруг корпуса или встроенные в прозрачную эпоксидную смолу, позволяя видеть провод или полоску. Иногда также присутствует ферритовый сердечник. Эти индуктивности с более высокими значениями часто ограничены небольшими номинальными токами, хотя некоторые типы с плоскими полосками могут выдерживать несколько ампер. Как и в случае с конденсаторами, номиналы компонентов и идентификаторы для небольших индуктивностей обычно не указываются на самом компоненте; если они не задокументированы или не напечатаны на печатной плате, измерение (обычно после извлечения из схемы) является единственным способом их определения. Более крупные индуктивности, особенно проволочные типы в больших корпусах, обычно имеют номинал, напечатанный на верхней стороне. Например, "330", что соответствует значению 33 мкГн. Дискретные полупроводники Дискретные полупроводники, такие как диоды и транзисторы, часто маркируются кодом из двух или трех символов. Один и тот же код, нанесенный на разные корпуса или на устройства от разных производителей, может соответствовать разным устройствам. Многие из этих кодов, используемые из-за малого размера устройств, которые не позволяют наносить более традиционные номера, используемые на больших корпусах, коррелируют с более привычными традиционными номерами деталей при обращении к таблице соответствия. GM4PMK в Великобритании подготовил таблицу соответствия, и также доступен аналогичный PDF-файл, хотя эти таблицы не являются полными. Интегральные схемы Обычно корпуса интегральных схем достаточно велики, чтобы на них можно было нанести полный номер детали, который включает в себя специфический префикс производителя или значительную часть номера детали и имя или логотип производителя.