Технология поверхностного монтажа - Surface-mount technology

Эта статья поднимает множество проблем. Пожалуйста помоги Улучши это или обсудите эти вопросы на страница обсуждения. (Узнайте, как и когда удалить эти сообщения-шаблоны) Эта статья нужны дополнительные цитаты для проверка. Пожалуйста помоги улучшить эту статью к добавление цитат в надежные источники. Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найдите источники: «Технология поверхностного монтажа»  – Новости  · газеты  · книги  · ученый  · JSTOR (Октябрь 2017 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения) Эта статья возможно содержит оригинальные исследования. Пожалуйста Улучши это к проверка заявленные претензии и добавление встроенные цитаты. Заявления, содержащие только оригинальные исследования, следует удалить. (Сентябрь 2020) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

Компоненты для поверхностного монтажа на флешка печатная плата. Маленькие прямоугольные микросхемы с цифрами являются резисторами, а маленькие прямоугольные чипы без маркировки - конденсаторами. Изображенные конденсаторы и резисторы имеют размер корпуса 0603 (1608 метрических единиц), а также немного больше 0805 (метрическая система 2012 года). ферритовый шарик.

Поверхностный монтаж конденсатор

А МОП-транзистор транзистор, помещенный на британскую почтовую марку для сравнения размеров.

Технология поверхностного монтажа (SMT) - это метод, при котором электрические компоненты устанавливаются непосредственно на поверхность печатная плата (Печатная плата). Электрический компонент, установленный таким образом, называется устройство для поверхностного монтажа (SMD). В промышленности такой подход в значительной степени заменил сквозная технология Конструктивный метод установки компонентов, в значительной степени потому, что SMT позволяет повысить автоматизацию производства, что снижает стоимость и улучшает качество - он также позволяет разместить больше компонентов на заданной площади подложки. Обе технологии могут использоваться на одной плате, при этом технология сквозных отверстий часто используется для компонентов, не подходящих для поверхностного монтажа, таких как большие трансформаторы и силовые полупроводники с теплоотводом.

Компонент SMT обычно меньше, чем его аналог со сквозным отверстием, потому что он либо имеет меньшие выводы, либо вообще не имеет выводов. Может быть короткое булавки или поводки разных стилей, плоские контакты, матрица шарики припоя (BGA ) или окончания на теле компонента.

История

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

Технология поверхностного монтажа была разработана в 1960-х годах и получила широкое распространение в середине 1980-х. К концу 1990-х в подавляющем большинстве высокотехнологичных электронных печатных плат преобладали устройства для поверхностного монтажа. Большая часть новаторских работ в этой технологии была выполнена IBM. Подход к проектированию, впервые продемонстрированный IBM в 1960 году на небольшом компьютере, был позже применен в Цифровой компьютер ракеты-носителя используется в Приборный блок это руководило всем Сатурн IB и Сатурн V транспортных средств.^[2] Компоненты были механически переработаны, чтобы иметь небольшие металлические язычки или торцевые крышки, которые можно было припаять непосредственно к поверхности печатной платы. Компоненты стали намного меньше, и размещение компонентов на обеих сторонах платы стало гораздо более распространенным при поверхностном монтаже, чем при установке в сквозные отверстия, что позволило значительно повысить плотность схем и меньшие печатные платы и, в свою очередь, машины или узлы, содержащие платы.

Часто поверхностного натяжения припоя достаточно, чтобы удерживать детали на плате; в редких случаях детали на нижней или «второй» стороне платы могут быть закреплены с помощью точки клея, чтобы компоненты не упали внутрь печи оплавления если размер детали превышает 30 г на квадратный дюйм площади прокладки.^[3] Клей иногда используется для фиксации компонентов SMT на нижней стороне платы, если пайка волной Этот процесс используется для одновременной пайки компонентов SMT и сквозных отверстий. В качестве альтернативы компоненты SMT и сквозные отверстия могут быть припаяны на одной стороне платы без клея, если компоненты SMT сначала припаяны оплавлением, а затем селективный припой Маска используется для предотвращения оплавления припоя, удерживающего эти детали на месте, а также для того, чтобы детали улетали во время пайки волной припоя. Поверхностный монтаж хорошо поддается высокой степени автоматизации, сокращению затрат на рабочую силу и значительному увеличению производительности.

Напротив, SMT плохо поддается ручному производству или изготовлению с низкой степенью автоматизации, что экономичнее и быстрее для разового прототипирования и мелкосерийного производства, и это одна из причин, почему многие компоненты со сквозным отверстием все еще производятся. Некоторые SMD можно паять с помощью ручного паяльника с регулируемой температурой, но, к сожалению, те, которые очень маленькие или имеют слишком мелкий шаг выводов, невозможно паять вручную без дорогостоящего оборудования для пайки горячим воздухом.^{[сомнительный – обсуждать]}. SMD могут составлять от одной четверти до одной десятой размера и веса, а также от половины до четверти стоимости эквивалентных деталей со сквозным отверстием, но, с другой стороны, стоимость определенной детали SMT и эквивалентных сквозных деталей -отверстие может быть очень похожим, хотя редко бывает дороже SMT-часть.

Общие сокращения

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

Техника сборки

Линия сборки с подборщики

Где должны быть размещены компоненты, печатная плата обычно есть квартира, обычно банка -свинцовый, серебряный или позолоченный медь колодки без отверстий, называемые паяльные площадки. Паяльная паста, липкая смесь поток и крошечные частицы припоя сначала наносится на все контактные площадки с помощью трафарета из нержавеющей стали или никеля с помощью снимок экрана процесс. Его также можно наносить с помощью механизма струйной печати, похожего на Струйный принтер. После оклейки доски переходят к подборщики, где они размещаются на конвейерной ленте. Компоненты, которые должны быть размещены на платах, обычно доставляются на производственную линию в бумажных / пластиковых лентах, намотанных на катушки, или в пластиковых тубах. Некоторые большие интегральные схемы поставляются в антистатических лотках. Числовое управление Машины для захвата и размещения снимают детали с лент, трубок или лотков и помещают их на печатную плату.^[4]

Затем доски транспортируются в пайка оплавлением печь. Сначала они попадают в зону предварительного нагрева, где температура платы и всех компонентов постепенно и равномерно повышается для предотвращения теплового удара. Затем платы попадают в зону, где температура достаточно высока, чтобы расплавить частицы припоя в паяльной пасте, и соединение компонента приводит к контактным площадкам на печатной плате. Поверхностное натяжение расплавленного припоя помогает удерживать компоненты на месте, и, если геометрия паяльной площадки выбрана правильно, поверхностное натяжение автоматически выравнивает компоненты на их площадках.

Есть ряд техники для оплавления припоя. Один - использовать инфракрасный лампы; это называется инфракрасным оплавлением. Другой - использовать горячий газ. конвекция. Еще одна технология, которая снова становится популярной, - особенная. фторуглерод жидкости с высокими температурами кипения, в которых используется метод, называемый оплавлением в паровой фазе. Из-за проблем, связанных с окружающей средой, этот метод потерял популярность до тех пор, пока не было принято законодательство о бессвинцовой пайке, требующее более строгого контроля над пайкой. В конце 2008 года конвекционная пайка была самой популярной технологией оплавления с использованием стандартного воздуха или азота. У каждого метода есть свои преимущества и недостатки. При инфракрасном оплавлении разработчик платы должен располагать плату так, чтобы короткие компоненты не попадали в тень высоких компонентов. Расположение компонентов менее ограничено, если разработчик знает, что при производстве будет использоваться пайка оплавлением в паровой фазе или конвекционная пайка. После пайки оплавлением некоторые нестандартные или термочувствительные компоненты могут быть установлены и припаяны вручную или в крупномасштабной автоматизации с помощью сфокусированного инфракрасного луча (FIB) или оборудования для локальной конвекции.

Если печатная плата двусторонняя, то процесс печати, размещения и оплавления можно повторить с использованием паяльной пасты или клея для фиксации компонентов на месте. Если пайка волной используется процесс, тогда детали должны быть приклеенный на плату перед обработкой, чтобы они не выплыли, когда паяльная паста, удерживающая их на месте, расплавится.

После пайки платы можно мыть для удаления остатков флюса и любых случайных шариков припоя, которые могут закоротить близко расположенные выводы компонентов. Канифоль флюс удаляется фторуглеродными растворителями, высокая точка возгорания углеводород растворители или растворители с низкой вспышкой, например лимонен (полученные из апельсиновой корки), требующие дополнительных циклов полоскания или сушки. Водорастворимые флюсы удаляются деионизированная вода и моющее средство с последующей продувкой воздухом для быстрого удаления остатков воды. Однако большинство электронных сборок производятся с использованием процесса «без очистки», при котором остатки флюса должны оставаться на печатной плате, так как они считаются безвредными. Это экономит затраты на очистку, ускоряет производственный процесс и сокращает количество отходов. Однако обычно рекомендуется мыть сборку, даже если используется процесс «без очистки», когда приложение использует очень высокочастотные тактовые сигналы (более 1 ГГц). Еще одна причина для удаления неочищенных остатков - улучшение адгезии конформные покрытия и материалы для заливки.^[5] Независимо от очистки этих печатных плат или нет, текущая отраслевая тенденция предлагает тщательно изучить процесс сборки печатных плат, в котором применяется метод «без очистки», поскольку остатки флюса, задержанные под компонентами и радиочастотными экранами, могут влиять на сопротивление изоляции поверхности (SIR), особенно на компонентах с высоким содержанием Плотность досок.^[6]

Определенные производственные стандарты, например, написанные IPC - Association Connecting Electronics Industries требуют очистки независимо от типа используемого припоя для обеспечения тщательной очистки платы. Правильная очистка удаляет все следы припоя, а также грязь и другие загрязнения, которые могут быть невидимы невооруженным глазом. Без очистки или другие процессы пайки могут оставлять «белые остатки», которые, согласно IPC, являются приемлемыми, «при условии, что эти остатки были квалифицированы и задокументированы как безопасные».^[7] Однако, хотя ожидается, что магазины, соответствующие стандарту IPC, будут придерживаться правил Ассоциации в отношении условий на борту, не все производственные предприятия применяют стандарт IPC и не обязаны это делать. Кроме того, в некоторых приложениях, таких как электроника начального уровня, такие строгие методы производства являются чрезмерными как по стоимости, так и по времени.

Наконец, платы визуально проверяются на отсутствие или смещение компонентов, а также на наличие перемычек при пайке. При необходимости их отправляют в переработка станция, на которой человек-оператор исправляет любые ошибки. Затем их обычно отправляют на испытательные станции (внутрисхемное тестирование и / или функциональное тестирование), чтобы убедиться, что они работают правильно.

Автоматический оптический контроль (AOI) системы обычно используются в производстве печатных плат. Эта технология доказала свою высокую эффективность для улучшения процессов и достижения качества.^[8]

Преимущества

Основными преимуществами SMT по сравнению с более старой техникой сквозного отверстия являются:

• Компоненты меньшего размера.
• Гораздо более высокая плотность компонентов (компонентов на единицу площади) и гораздо больше соединений на компонент.
• Компоненты могут быть размещены на обеих сторонах печатной платы.
• Более высокая плотность соединений, поскольку отверстия не блокируют пространство для маршрутизации на внутренних слоях или на слоях задней стороны, если компоненты установлены только на одной стороне печатной платы.
• Небольшие ошибки в размещении компонентов корректируются автоматически, поскольку поверхностное натяжение расплавленного припоя подтягивает компоненты к выравниванию с контактными площадками. (С другой стороны, компоненты со сквозным отверстием не могут быть слегка смещены, потому что после того, как провода проходят через отверстия, компоненты полностью выровнены и не могут смещаться в сторону от совмещения.)
• Более высокие механические характеристики в условиях ударов и вибрации (частично из-за меньшей массы, а частично из-за меньшего консольного крепления)
• Более низкое сопротивление и индуктивность в соединении; следовательно, меньше нежелательных эффектов радиосигнала и лучшие и более предсказуемые высокочастотные характеристики.
• Лучше Производительность ЭМС (более низкие излучаемые излучения) из-за меньшей площади контура излучения (из-за меньшего размера корпуса) и меньшей индуктивности выводов.^[9]
• Необходимо просверлить меньше отверстий. (Сверление печатных плат занимает много времени и дорого.)
• Снижение начальных затрат и времени на запуск в серийное производство с использованием автоматизированного оборудования.
• Более простой и быстрый автоматизированный монтаж. Некоторые установочные машины способны размещать более 136 000 компонентов в час.
• Многие детали SMT стоят меньше, чем эквивалентные детали для сквозных отверстий.
• Пакет для поверхностного монтажа предпочтительнее, если требуется низкопрофильный корпус или место, доступное для монтажа пакета, ограничено. По мере того, как электронные устройства становятся более сложными и доступное пространство уменьшается, желательность корпуса для поверхностного монтажа возрастает. Одновременно с увеличением сложности устройства увеличивается количество тепла, выделяемого при работе. Если тепло не отводится, температура устройства повышается, сокращая срок его службы. Поэтому очень желательно разрабатывать корпуса для поверхностного монтажа с высоким теплопроводность.^[10]

Недостатки

• SMT может быть непригодным в качестве единственного метода крепления для компонентов, которые подвергаются частым механическим нагрузкам, таких как разъемы, которые используются для взаимодействия с внешними устройствами, которые часто подключаются и отключаются.^{[нужна цитата ]}
• Паяные соединения SMD могут быть повреждены заливка соединения, подвергающиеся термоциклированию.
• Ручная сборка прототипа или ремонт на уровне компонентов сложнее и требует квалифицированных операторов и более дорогих инструментов из-за небольших размеров и расстояний между выводами многих SMD.^[11] Работа с небольшими компонентами для поверхностного монтажа может быть затруднена, и для этого потребуется пинцет, в отличие от почти всех компонентов со сквозным отверстием. В то время как компоненты со сквозными отверстиями останутся на месте (под действием силы тяжести) после вставки и могут быть механически закреплены перед пайкой путем отгибания двух выводов на стороне пайки платы, SMD легко перемещаются с места при помощи пайки. утюг. Без определенных навыков при ручной пайке или демонтаже компонента легко случайно оплавить припой соседнего SMT-компонента и непреднамеренно сместить его, что практически невозможно сделать с компонентами со сквозными отверстиями.
• Многие типы пакетов компонентов SMT не могут быть установлены в гнезда, что обеспечивает легкую установку или замену компонентов для изменения схемы и легкую замену вышедших из строя компонентов. (Практически все сквозные компоненты могут быть вставлены в гнезда.)
• SMD нельзя использовать напрямую с плагином макеты (инструмент для быстрого создания прототипов), требующий либо специальной печатной платы для каждого прототипа, либо монтажа SMD на держателе с выводами. Для создания прототипа вокруг определенного SMD-компонента используется менее дорогой коммутационная плата может быть использовано. Кроме того, доска Можно использовать прототипы стилей, некоторые из которых включают площадки для SMD-компонентов стандартного размера. Для создания прототипа "мертвая ошибка «Макетирование может быть использовано.^[12]
• Размеры паяных соединений в SMT быстро становятся намного меньше по мере продвижения технологии сверхмалого шага. Надежность паяных соединений становится все более серьезной проблемой, поскольку для каждого соединения допускается все меньше и меньше припоя. Пустоты - это неисправность, обычно связанная с паяными соединениями, особенно при оплавлении паяльной пасты в приложениях для поверхностного монтажа. Наличие пустот может ухудшить прочность сустава и в конечном итоге привести к его разрушению.^[13][14]
• SMD, как правило, меньше, чем эквивалентные компоненты со сквозным отверстием, имеют меньшую площадь поверхности для маркировки, требуя, чтобы коды маркировки деталей или значения компонентов были более загадочными и меньшими, часто требуя увеличения для считывания, тогда как более крупный компонент со сквозным отверстием может быть прочитал и опознал невооруженным глазом. Это недостаток для создания прототипов, ремонта, доработки, обратного проектирования и, возможно, для настройки производства.

Переделка

Удаление устройства для поверхностного монтажа с помощью пинцет для пайки

Неисправные компоненты для поверхностного монтажа можно отремонтировать с помощью паяльники (для некоторых соединений) или бесконтактной системой доработки. В большинстве случаев система доработки - лучший выбор, потому что работа SMD с паяльником требует значительных навыков и не всегда осуществима.

Переработка обычно исправляет ошибки определенного типа, созданные человеком или машиной, и включает в себя следующие шаги:

• Расплавьте припой и удалите компонент (ы)
• Удалить остатки припоя
• Печать паяльной пасты на печатной плате напрямую или путем дозирования
• Поместите новый компонент и переформатируйте.

Иногда в ремонте нуждаются сотни или тысячи одинаковых деталей. Такие ошибки, если они связаны со сборкой, часто выявляются в процессе. Однако совершенно новый уровень доработки возникает, когда отказ компонента обнаруживается слишком поздно и, возможно, остается незамеченным до тех пор, пока конечный пользователь производимого устройства не испытает его. Доработка также может быть использована, если продукты, имеющие достаточную ценность, чтобы оправдать ее, требуют пересмотра или реинжиниринга, возможно, для изменения одного компонента на основе встроенного ПО. Для переделки большого объема требуется операция, предназначенная для этой цели.

По сути, существует два метода бесконтактной пайки / распайки: инфракрасная пайка и пайка горячим газом.^[15]

Инфракрасный

При инфракрасной пайке энергия для нагрева паяного соединения передается посредством длинноволнового или коротковолнового инфракрасного электромагнитного излучения.

Преимущества:

• Легкая установка
• Сжатый воздух не требуется
• Отсутствие необходимости в различных форсунках для компонентов многих форм и размеров, что снижает стоимость и необходимость замены форсунок
• Быстрая реакция источника инфракрасного излучения (зависит от используемой системы)

Недостатки:

• Центральные районы будут обогреваться больше, чем периферийные.
• Контроль температуры менее точен, могут быть пики
• Расположенные рядом компоненты должны быть защищены от тепла, чтобы предотвратить повреждение, что требует дополнительного времени для каждой платы.
• Температура поверхности зависит от альбедо: темные поверхности нагреваются сильнее, чем светлые.
• Температура дополнительно зависит от формы поверхности. Конвективная потеря энергии снижает температуру компонента.
• Атмосфера оплавления невозможна

Горячий газ

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

Преимущества:

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

Недостатки:

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

Пакеты

Пример размеров компонентов, метрических и британских кодов для двухтерминальные пакеты и сравнение включено

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

Идентификация

Резисторы

Для резисторов SMD с точностью 5% их значения сопротивления обычно обозначаются тремя цифрами: двумя значащими цифрами и цифрой множителя. Часто это белые буквы на черном фоне, но можно использовать другой цветной фон и буквы. Для резисторов SMD с точностью 1% используется код, поскольку в противном случае три цифры не передали бы достаточно информации. Этот код состоит из двух цифр и буквы: цифры обозначают позицию значения в последовательности E96, а буква обозначает множитель.^[16]

Конденсаторы

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

Индукторы

Меньшая индуктивность при умеренно высоком номинальном токе обычно относится к типу ферритовых шариков. Они представляют собой просто металлический проводник, пропущенный через ферритовую шайбу, и почти такой же, как их версии со сквозным отверстием, но имеют торцевые заглушки SMD, а не выводы. Они кажутся темно-серыми и магнитными, в отличие от конденсаторов с аналогичным темно-серым внешним видом. Эти ферритовые шарики ограничены небольшими значениями в наногенри (нГн) и часто используются в качестве развязки шины питания или в высокочастотных частях цепи. Разумеется, большие индукторы и трансформаторы могут быть смонтированы на одной плате. Индукторы SMT с более высокими значениями индуктивности часто имеют витки провода или плоскую ленту вокруг тела или залиты прозрачной эпоксидной смолой, что позволяет видеть провод или ремешок. Иногда ферритовый сердечник присутствует также. Эти типы с более высокой индуктивностью часто ограничиваются малым номинальным током, хотя некоторые из типов плоских лент могут выдерживать несколько ампер. Как и в случае с конденсаторами, значения компонентов и идентификаторы для небольших катушек индуктивности обычно не указываются на самом компоненте; если они не задокументированы или не напечатаны на печатной плате, измерение, обычно снимаемое со схемы, является единственным способом их определения. На более крупных индукторах, особенно с проволочной обмоткой и занимающих большую площадь, обычно указано значение, указанное сверху. Например, "330", что соответствует значению 33. мкГн.

Дискретные полупроводники

Дискретные полупроводники, такие как диоды и транзисторы, часто маркируются двух- или трехсимвольным кодом. Один и тот же код, нанесенный на разные пакеты или на устройства от разных производителей, может переводиться на разные устройства. Многие из этих кодов, используемых из-за того, что устройства слишком малы, чтобы их можно было маркировать более традиционными номерами, используемыми на более крупных упаковках, соотносятся с более знакомыми традиционными номерами деталей при просмотре списка корреляции. GM4PMK в Великобритании подготовил список корреляций, а аналогичный список .pdf также доступен, хотя эти списки не полны.

Интегральные схемы

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

Смотрите также

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

Рекомендации