Поверхностный монтаж

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к: навигация, поиск
Выпаивание конденсатора типоразмера 0805
Конденсатор поверхностного монтажа на плате, макрофотография

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[1].

Технология[править | править вики-текст]

Типовая последовательность операций в технологии поверхностного монтажа включает:

  • Нанесение паяльной пасты на контактные площадки (дозирование в единичном и мелкосерийном производстве, трафаретная печать в серийном и массовом производстве)
  • Установка компонентов
  • Групповая пайка методом оплавления пасты в печи (преимущественно методом конвекции, а также инфракрасным нагревом или в паровой фазе[2])
  • Мойка платы (в зависимости от активности флюса) и нанесение защитных покрытий.

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[3].

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[4].

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[править | править вики-текст]

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.

Преимущества[править | править вики-текст]

  • 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 поисках 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[править | править вики-текст]

  • Повышенные требования к качеству проектирования топологии печатных плат, вынуждающие учитывать распределение тепловых полей за счёт разных теплоёмкостей и теплопроводностей элементов рисунка (коробление с отрывами) и обеспечивать рациональным выбором геометрии примерно равную скорость нагрева отдельных её участков (напр., таких, как выводы одного компонента) при технологических операциях групповой пайки, для предотвращения брака на этом этапе (напр., «эффект надгробного камня»).
  • Повышенные требования к точности температуры пайки и ее зависимости от времени, поскольку при групповой пайке нагреву подвергается весь компонент.
  • Жесткая связка безвыводных компонентов и материала печатных плат, которые имеют заметно отличающиеся коэффициенты теплового расширения, приводящая при воздействии в процессе эксплуатации больших перепадов температур к возникновению механических напряжений вплоть до разрушения элементов конструкции. Что, соответственно, снижает надёжность устройств, эксплуатируемых в экстремальных условиях, и требует особой тщательности при проектировании печатных плат и использования определённых технологических приёмов при производстве.
  • Высокие начальные затраты, связанные с созданием опытных образцов из-за необходимости наличия специального оборудования (инструментария) для единичного и опытного производства.
  • Высокие требования к качеству и условиям хранения технологических материалов.

Размеры и типы корпусов[править | править вики-текст]

SMD-конденсаторы (слева) по сравнению с двумя выводными конденсаторами (справа)

Компоненты SMD выпускаются различных размеров и в разных типах корпусов:

  • двуконтактные:
    • прямоугольные пассивные компоненты (резисторы и конденсаторы):
      • 0,4 × 0,2 мм (дюймовый типоразмер — 01005[5]);
      • 0,6 × 0,3 мм (0201);
      • 1,0 × 0,5 мм (0402);
      • 1,6 × 0,8 мм (0603);
      • 2,0 × 1,25 мм (0805);
      • 3,2 × 1,6 мм (1206);
      • 3,2 × 2,5 мм (1210);
      • 4,5 × 3,2 мм (1812);
      • 4,5 × 6,4 мм (1825);
      • 5,6 × 5,0 мм (2220);
      • 5,6 × 6,3 мм (2225);
    • цилиндрические пассивные компоненты (резисторы и диоды) в корпусе MELF (англ.)русск.:[6]
      • Melf (MMB) 0207 L=5.8mm, Ø=2.2mm (1.0W 500V)
      • MiniMelf (MMA) 0204 L=3.6mm, Ø=1.4mm (0.25W 200V)
      • MicroMelf (MMU) 0102 L=2.2mm, Ø=1.1mm (0.2W 100V)
    • танталовые конденсаторы:
      • тип A (EIA 3216-18) — 3,2 × 1,6 × 1,6 мм;
      • тип B (EIA 3528-21) — 3,5 × 2,8 × 1,9 мм;
      • тип C (EIA 6032-28) — 6,0 × 3,2 × 2,2 мм;
      • тип D (EIA 7343-31) — 7,3 × 4,3 × 2,4 мм;
      • тип E (EIA 7343-43) — 7,3 × 4,3 × 4,1 мм;
    • диоды (англ. small outline diode, сокр. SOD):
      • SOD-323 — 1,7 × 1,25 × 0,95 мм;
      • SOD-123 — 3,68 × 1,17 × 1,60 мм;
  • трёхконтактные:
    • транзисторы с тремя короткими выводами (SOT):
      • SOT-23 — 3 × 1,75 × 1,3 мм;
      • SOT-223 — 6,7 × 3,7 × 1,8 мм (без выводов);
    • DPAK (TO-252) — корпус (трёх- или пятиконтактные варианты), разработанный компанией Motorola для полупроводниковых устройств с большим выделением тепла;
    • D2PAK (TO-263) — корпус (трёх-, пяти-, шести-, семи- или восьмивыводные варианты), аналогичный DPAK, но больший по размеру (как правило габариты корпуса ответствуют габаритам TO220);
    • D3PAK (TO-268) — корпус, аналогичный D2PAK, но ещё больший по размеру;
  • с четырьмя выводами и более:
    • выводы в две линии по бокам:
      • ИС с выводами малой длины (англ. small-outline integrated circuit, сокр. SOIC), расстояние между выводами 1,27 мм;
      • TSOP (англ. thin small-outline package) — тонкий SOIC (тоньше SOIC по высоте), расстояние между выводами 0,5 мм;
      • SSOP — усаженый SOIC, расстояние между выводами 0,65 мм;
      • TSSOP — тонкий усаженый SOIC, расстояние между выводами 0,65 мм;
      • QSOP — SOIC четвертного размера, расстояние между выводами 0,635 мм;
      • VSOP — QSOP ещё меньшего размера, расстояние между выводами 0,4; 0,5 или 0,65 мм;
    • выводы в четыре линии по бокам:
      • PLCC, CLCC — ИС в пластиковом или керамическом корпусе с выводами, загнутыми под корпус с виде буквы J на расстоянии 1,27 мм);
      • QFP (англ. quad flat package — квадратный плоский корпус) — квадратные плоские корпусы ИС разных размеров;
      • LQFP — низкопрофильный QFP (1,4 мм 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:
      • BGA (англ. ball grid array) — массив шариков с квадратным или прямоугольным расположением выводов, обычно на расстоянии 1,27 мм;
      • LFBGA — низкопрофильный FBGA, квадратный или прямоугольный, шарики припоя на расстоянии 0,8 мм;
      • CGA — корпус с входными и выходными выводами из тугоплавкого припоя;
      • CCGA — керамический CGA;
      • μBGA (микро-BGA) — массив шариков с расстоянием между шариками менее 1 мм;
      • FCBGA (англ. flip-chip ball grid array) — массив шариков на подложке, к которой припаян сам кристалл с теплораспределителем, в отличие от PBGA (массив шариков, микросхема в пластиковом корпусе) с кристаллом внутри пластмассового корпуса микросхемы;
      • LLP — безвыводный корпус.

Примечания[править | править вики-текст]

Ссылки[править | править вики-текст]