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 (англ. surface mount technology) и SMD-технология (от англ. surface mounted device — прибор, монтируемый на поверхность), а компоненты для поверхностного монтажа также называют «чип-компонентами». ТМП является наиболее распространённым на сегодняшний день методом конструирования и сборки электронных узлов на печатных платах. Основным отличием ТМП от «традиционной» технологии — сквозного монтажа в отверстия является то, что компоненты монтируются на поверхность печатной платы. Преимущества ТМП проявляются благодаря комплексу особенностей элементной базы, методов конструирования и технологических приёмов изготовления печатных узлов[1].

Технология[править | править вики-текст]

Типовая последовательность операций в ТМП включает:

  • нанесение паяльной пасты на контактные площадки:
    • дозирование пасты из специального шприца вручную или на станке в единичном и мелкосерийном производстве;
    • трафаретная печать в серийном и массовом производстве;
  • установка компонентов на плату;
  • групповая пайка методом оплавления пасты в печи (преимущественно методом конвекции, а также инфракрасным нагревом или нагревом в паровой фазе[2]);
  • очистка (мойка) платы (выполняется или нет 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»). Паяльная паста представляет собой смесь порошкообразного припоя с органическими наполнителями, включающими флюс. Назначение паяльной пасты[3]:

  • выполнение роли флюса (паста содержит флюс):
    • удаление оксидов с поверхности под пайку;
    • снижение поверхностного натяжения для лучшей смачиваемости поверхностей припоем;
    • улучшение растекания жидкого припоя;
    • защита поверхностей от действия окружающей среды;
  • обеспечения образования соединения между контактными площадками платы и электронными компонентами (паста содержит пропой);
  • фиксирование компонентов на плате (за счёт клеящих свойств пасты).

Во время пайки важно обеспечить правильное изменение температуры во времени (термопрофиль), чтобы[4]:

Разработка термопрофиля (термопрофилирование) в настоящее время приобретает особую важность в связи с распространением бессвинцовой технологии. При бессвинцовой технологии «окно» процесса (разница между минимальной необходимой и максимально допустимой температурой термопрофиля) значительно у́же из-за повышенной температуры плавления припоя.

Электронные компоненты, используемые для поверхностного монтажа, называют SMD-компонентами или КМП (от 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 компания «IBM». Электронные компоненты были изменены таким образом, чтобы уменьшить контактные площадки или выводы, которые бы паялись непосредственно к поверхности печатной платы.

Сравнение «традиционных» и SMD электронных компонентов

Плотность размещения электронных компонентов на платах поверхностного монтажа выше, чем у традиционных плат. Также меньше расстояние между проводниковыми элементами и контактными площадками.

Электронные компоненты, установленные на верхнюю часть платы, удерживаются за счёт адгезии к пропою. Однако силы адгезии к припою недостаточно для удерживания компонентов при установке на нижнюю часть платы — требуется приклеивание. Паяльные пасты содержат требуемые клеящие вещества.

Компоненты поверхностного монтажа (англ. surface-mounted devices, SMDs) зачастую имеют небольшой вес и размер.

Технология поверхностного монтажа зарекомендовала себя благодаря своим достоинствам:

  • повышение автоматизации производства;
  • уменьшение трудоёмкости;
  • увеличение продуктивности.

Компоненты поверхностного монтажа могут быть в 4‑10 раз меньше, и на 25‑50% дешевле аналогичных компонентов для монтажа в отверстия.

Преимущества и недостатки[править | править вики-текст]

Достоинства ТМП:

  • снижение массы и размеров печатных узлов за счёт 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 удаётся увеличить, в частности, за счёт отсутствия необходимости места для контактных площадок вокруг отверстий;
  • улучшение электрических характеристик: за счёт 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 ТМП плат 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, по сравнению с монтажом в отверстия — процесс легче поддаётся автоматизации;
  • существенное снижение себестоимости серийных изделий.

Недостатки ТМП:

  • 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 (например, таких, как выводы одного компонента) при технологических операциях групповой пайки, для предотвращения брака на этом этапе (например, «эффект надгробного камня»);
  • повышенные требования к точности температуры пайки и её зависимости от времени, поскольку при групповой пайке нагреву подвергаются все компоненты;
  • жёсткая 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)

Электронные компоненты для поверхностного монтажа (SMD компоненты) 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.)[6]:
      • Melf (MMB) 0207, L = 5.8 мм, Ø = 2.2 мм, 1.0 Вт, 500 В;
      • MiniMelf (MMA) 0204, L = 3.6 мм, Ø = 1.4 мм, 0.25 Вт, 200 В;
      • MicroMelf (MMU) 0102, L = 2.2 мм, Ø = 1.1 мм, 0.2 Вт, 100 В;
    • 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, сокращённо 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]