 |
 |
Технология поверхностного монтажа для изготовления электронных изделий
Технология поверхностного монтажа
Поверхностный монтаж – это технология изготовления электронных изделий на печатных платах, а также связанные с данной технологией методы конструирования печатных узлов.
Рис.1 SMD компоненты на плате USB-Flash-накопителя
Наиболее эффективная на сегодняшний день технология изготовления печатных плат – поверхностный монтаж. Принцип этого метода заключается в автоматизации всех производственных циклов, связанных с изготовлением платы, покрытия ее паяльной пастой, установкой по ее площади отдельных компонентов, "обжигом" платы в специальном оборудовании. Внедрить поверхностный монтаж на радиоэлектронное производство, означает повысить скорость изготовления отдельных электронных компонентов в десятки раз при использовании меньшей рабочей силы.
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). Она 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.
Типовая последовательность операций в технологии поверхностного монтажа включает в себя следующие шаги:
- Нанесение паяльной пасты на контактные площадки (дозирование в единичном и мелкосерийном производстве, трафаретная печать в серийном и массовом производстве);
- Установка компонентов с помощью специальных автоматических автоматов;
- Групповая пайка методом оплавления пасты в печи (преимущественно методом конвекции, а также инфракрасным нагревом или в парогазовой фазе).
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 и смачивание поверхности.
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 уже 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 был 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 ТМП имеют повышенную плотность размещения электронных элементов, обладают меньшими расстояниями между проводниковыми элементами и контактными площадками. Зачастую компоненты держатся только при помощи припоя, однако с нижней стороны платы элементы ещё и приклеиваются. Устройства поверхностного монтажа зачастую имеют небольшой вес и размер. SMD технология зарекомендовала себя в повышении автоматизации производства, уменьшении трудоёмкости и увеличении продуктивности. Технология поверхностного монтажа может уменьшать размеры и вес конструкции в четыре - десять раз, и стоимость сквозных выводных отверстий в половину или четверть раз.
Преимущества технологии
- Снижение массы и размеров печатных узлов за счет отсутствия выводов у компонентов или их меньшей длины, а также увеличения плотности компоновки и трассировки, уменьшения размеров самой элементной базы и уменьшения шага выводов. Плотность компоновки и выводов в данной технологии удается увеличить, в частности, за счет отсутствия необходимости в поясках контактных площадок вокруг отверстий.
- Улучшение электрических характеристик: за счет уменьшения длины выводов и более плотной компоновки значительно улучшается качество передачи слабых и высокочастотных сигналов, снижается паразитная ёмкость и индуктивность.
- Лучшая ремонтопригодность, поскольку упрощается очистка контактных поверхностей от припоя и отсутствует необходимость в прогреве припоя внутри металлизированного отверстия. Однако, ремонт в поверхностном монтаже требует специализированного инструмента и предполагает правильное применение технологических режимов.
- Возможность размещения деталей на обеих сторонах печатной платы.
- Меньшее число отверстий, которое необходимо выполнить в плате.
- Повышение технологичности. В сравнении с монтажом в отверстия, процесс легче поддается автоматизации.
- Существенное снижение себестоимости серийных изделий.
Недостатки
- Повышенные требования к точности температуры пайки и ее зависимости от времени, поскольку при групповой пайке нагреву подвергается весь компонент.
- Высокие начальные затраты, связанные с установкой и настройкой оборудования, а также с более сложным созданием опытных образцов.
- Необходимость специального оборудования (инструментария) даже при единичном и опытном производстве.
- Высокие требования к качеству и условиям хранения технологических материалов.
Размеры и типы корпуса
SMD конденсаторы (слева), против двух "обычных" конденсаторов (справа)
- Двуконтактные
- Прямоугольные пассивные компоненты (резисторы и конденсаторы):
- 0.4 mm × 0.2 mm
- 0.6 mm × 0.3 mm
- 1.0 mm × 0.5 mm
- 1.6 mm × 0.8 mm
- 2.0 mm × 1.25 mm
- 3.2 mm × 1.6 mm
- 4.6 mm × 3.0 mm
- Танталовые конденсаторы:
- Тип A (EIA 3216-18): 3.2 mm × 1.6 mm × 1.6 mm
- Тип B (EIA 3528-21): 3.5 mm × 2.8 mm × 1.9 mm
- Тип C (EIA 6032-28): 6.0 mm × 3.2 mm × 2.2 mm
- Тип D (EIA 7343-31): 7.3 mm × 4.3 mm × 2.4 mm
- Тип E (EIA 7343-43): 7.3 mm × 4.3 mm × 4.1 mm
- SOD - Small outline diode
- SOD-323: 1.7 × 1.25 × 0.95 mm
- SOD-123: 3.68 × 1.17 × 1.60 mm
- Прямоугольные пассивные компоненты (резисторы и конденсаторы):
- Трёхконтактные
- SOT - транзистор с короткими выводами, с тремя выводами
- SOT-23 - 3 mm × 1.75 mm × 1.3 mm
- SOT-223 - 6.7 mm × 3.7 mm × 1.8 mm body
- DPAK (TO-252) - Разработана Motorola чтобы умещать устройства с большим энергопотреблением.
- SOT - транзистор с короткими выводами, с тремя выводами
- Существуют трёх и пятиконтактные версии.
- D2PAK (TO-263) - больше чем DPAK; в основном эквивалент для SMD-монтажа TO220. Существуют 3, 5, 6, 7, или 8-выводные версии.
- D3PAK (TO-268) - ещё больше D2PAK.
- Четыре или более выводов
Две-линии-по-бокам
- ИС с выводами малой длины (SOIC), расстояние между выводами 1.27 mm
- TSOP - Тонкий SOIC - тоньше по высоте, чем SOIC, расстояние между выводами 0.5 mm
- SSOP - Усаженый SOIC расстояние между выводами 1.27 mm
- TSSOP - Тонкий усаженый SOIC; расстояние между выводами 0.65 mm
- QSOP - Четверть размера SOIC, расстояние между выводами 0.635 mm
- VSOP - ещё меньше QSOP; расстояние между выводами 0.4, 0.5 mm или 0.65 mm
Четыре-линии-по-бокам
- PLCC - пластиковый чип с выводами, расстояние между выводами 1.27 mm
- QFP - Quad Flat Package, разные размеры.
- LQFP - Низкопрофильный QFP, 1.4 mm в высоту, разные размеры.
- PQFP - пластиковый QFP, 44 или более вывода.
- CQFP - керамический QFP, сходный с PQFP
- TQFP - тоньше QFP.
- PQFN - силовой QFP, нет выводов, площадка для радиатора.
Массив выводов
- Массив шариков - Массив шариков с квадратным или прямоугольным расположением выводов, расстояние между шариками обычно 1.27 mm
- LFBGA - Низкопрофильный FBGA, квадратный или прямоугольный, шарики припоя, расстояние между шариками 0.8 mm
- CGA - корпус, где входные и выходные выводы сделаны из тугоплавкого припоя.
- CCGA - керамический CGA.
- μBGA - микро-BGA, с расстоянием между шариками менее 1 mm
- LLP - Безвыводный корпус.
