Транскрипт

1 SMD компоненты Мы уже познакомились с основными радиодеталями: резисторами, конденсаторами, диодами, транзисторами, микросхемами и т.п., а также изучили, как они монтируются на печатную плату. Ещё раз вспомним основные этапы этого процесса: выводы всех компонентов пропускают в отверстия, имеющиеся в печатной плате. После чего выводы обрезаются, и затем с обратной стороны платы производится пайка (см. рис.1). Этот уже известный нам процесс называется DIP-монтаж. Такой монтаж очень удобен для начинающих радиолюбителей: компоненты крупные, паять их можно даже большим «советским» паяльником без помощи лупы или микроскопа. Именно поэтому все наборы Мастер Кит для самостоятельной пайки подразумевают DIP-монтаж. Рис. 1. DIP-монтаж Но DIP-монтаж имеет очень существенные недостатки: - крупные радиодетали не подходят для создания современных миниатюрных электронных устройств; - выводные радиодетали дороже в производстве; - печатная плата для DIP-монтажа также обходится дороже из-за необходимости сверления множества отверстий; - DIP-монтаж сложно автоматизировать: в большинстве случаях даже на крупных заводах по производству электроники установку и пайку DIP-деталей приходится выполнять вручную. Это очень дорого и долго.

2 Поэтому DIP-монтаж при производстве современной электроники практически не используется, и на смену ему пришёл так называемый SMD-процесс, являющийся стандартом сегодняшнего дня. Поэтому любой радиолюбитель должен иметь о нём хотя бы общее представление. SMD монтаж SMD (Surface Mounted Device) переводится с английского как "компонент, монтируемый на поверхность". SMD-компоненты также иногда называют ЧИПкомпонентами. Процесс монтажа и пайки чип-компонентов правильно называть SMT-процессом (от англ. «surface mount technology» технология поверхностного монтажа). Говорить «SMD-монтаж» не совсем корректно, но в России прижился именно такой вариант названия техпроцесса, поэтому и мы будем говорить так же. На рис. 2. показан участок платы SMD-монтажа. Такая же плата, выполненная на DIP-элементах, будет иметь в несколько раз большие габариты. Рис.2. SMD-монтаж SMD монтаж имеет неоспоримые преимущества: - радиодетали дешёвы в производстве и могут быть сколь угодно миниатюрны; - печатные платы также обходятся дешевле из-за отсутствия множественной сверловки;

3 - монтаж легко автоматизировать: установку и пайку компонентов производят специальные роботы. Также отсутствует такая технологическая операция, как обрезка выводов. SMD-резисторы Знакомство с чип-компонентами логичнее всего начать с резисторов, как с самых простых и массовых радиодеталей. SMD-резистор по своим физическим свойствам аналогичен уже изученному нами «обычному», выводному варианту. Все его физические параметры (сопротивление, точность, мощность) точно такие же, только корпус другой. Это же правило относится и ко всем другим SMD-компонентам. Рис. 3. ЧИП-резисторы Типоразмеры SMD-резисторов Мы уже знаем, что выводные резисторы имеют определённую сетку стандартных типоразмеров, зависящих от их мощности: 0,125W, 0,25W, 0,5W, 1W и т.п. Стандартная сетка типоразмеров имеется и у чип-резисторов, только в этом случае типоразмер обозначается кодом из четырёх цифр: 0402, 0603, 0805, 1206 и т.п. Основные типоразмеры резисторов и их технические характеристики приведены на рис.4.

4 Рис. 4 Основные типоразмеры и параметры чип-резисторов Маркировка SMD-резисторов Резисторы маркируются кодом на корпусе. Если в коде три или четыре цифры, то последняя цифра означает количество нулей, На рис. 5. резистор с кодом «223» имеет такое сопротивление: 22 (и три нуля справа) Ом = Ом = 22 ком. Резистор с кодом «8202» имеет сопротивление: 820 (и два нуля справа) Ом = Ом = 82 ком. В некоторых случаях маркировка цифробуквенная. Например, резистор с кодом 4R7 имеет сопротивление 4.7 Ом, а резистор с кодом 0R Ом (здесь буква R является знаком-разделителем). Встречаются и резисторы нулевого сопротивления, или резисторы-перемычки. Часто они используются как предохранители. Конечно, можно не запоминать систему кодового обозначения, а просто измерить сопротивление резистора мультиметром.

5 Рис. 5 Маркировка чип-резисторов Керамические SMD-конденсаторы Внешне SMD-конденсаторы очень похожи на резисторы (см. рис.6.). Есть только одна проблема: код ёмкости на них не нанесён, поэтому единственный способ ёё определения измерение с помощью мультиметра, имеющего режим измерения ёмкости. SMD-конденсаторы также выпускаются в стандартных типоразмерах, как правило, аналогичных типоразмерам резисторов (см. выше). Рис. 6. Керамические SMD-конденсаторы

6 Электролитические SMS-конденсаторы Рис.7. Электролитические SMS-конденсаторы Эти конденсаторы похожи на своих выводных собратьев, и маркировка на них обычно явная: ёмкость и рабочее напряжение. Полоской на «шляпке» конденсатора маркируется его минусовой вывод. SMD-транзисторы Рис.8. SMD-транзистор Транзисторы мелкие, поэтому написать на них их полное наименование не получается. Ограничиваются кодовой маркировкой, причём какого-то международного стандарта обозначений нет. Например, код 1E может обозначать тип транзистора BC847A, а может какого-нибудь другого. Но это обстоятельство абсолютно не беспокоит ни производителей, ни рядовых потребителей электроники. Сложности могут возникнуть только при ремонте. Определить тип транзистора, установленного на печатную плату, без документации производителя на эту плату иногда бывает очень сложно.

7 SMD-диоды и SMD-светодиоды Фотографии некоторых диодов приведены на рисунке ниже: Рис.9. SMD-диоды и SMD-светодиоды На корпусе диода обязательно указывается полярность в виде полосы ближе к одному из краев. Обычно полосой маркируется вывод катода. SMD-cветодиод тоже имеет полярность, которая обозначается либо точкой вблизи одного из выводов, либо ещё каким-то образом (подробно об этом можно узнать в документации производителя компонента). Определить тип SMD-диода или светодиода, как и в случае с транзистором, сложно: на корпусе диода выштамповывается малоинформативный код, а на корпусе светодиода чаще всего вообще нет никаких меток, кроме метки полярности. Разработчики и производители современной электроники мало заботятся о её ремонтопригодности. Подразумевается, что ремонтировать печатную плату будет сервисный инженер, имеющий полную документацию на конкретное изделие. В такой документации чётко описано, на каком месте печатной платы установлен тот или иной компонент. Установка и пайка SMD-компонентов SMD-монтаж оптимизирован в первую очередь для автоматической сборки специальными промышленными роботами. Но радиолюбительские конструкции также вполне могут выполняться на чип-компонентах: при достаточной аккуратности и внимательности паять детали размером с рисовое зёрнышко можно самым обычным паяльником, нужно знать только некоторые тонкости. Но это тема для отдельного большого урока, поэтому подробнее об автоматическом и ручном SMD-монтаже будет рассказано отдельно.

ALTIUM VAULT ПЕРВОЕ ЗНАКОМСТВО А.Сабунин [email protected] Создание современных электронных изделий связано с обработкой больших объемов конструкторских данных. В процессе работы над проектом эти данные

GRUNDFOS ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ Компания GRUNDFOS работает в России уже более 14 лет, и все эти годы мы старались быть образцом делового партнерства. Наше оборудование надежно и успешно служит людям и широко

М. Б. КАЦ СИСТЕМА УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ, ШАРНИРНЫХ ПОДШИПНИКОВ, ШАРИКОВ И РОЛИКОВ Издание третье Москва 2006 М. Б. КАЦ СИСТЕМА УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ ПОДШИПНИКОВ КАЧЕНИЯ, ШАРНИРНЫХ ПОДШИПНИКОВ,

Почему светодиоды не всегда работают так, как хотят их производители? Сергей НИКИФОРОВ [email protected] Статья посвящена проблемам производства и использования светодиодов и содержит ответы на популярные

ООО «Д и м р у с» Реле контроля состояния изоляции КРУ IDR-10 г. Пермь Оглавление 1. Введение... 3 1.1. Назначение... 3 1.2. Описание прибора «IDR-10»... 4 1.2.1. Технические характеристики прибора...

Пробники от А до Я Учебное пособие Учебное пособие Селектор пробников Tektronix Этот онлайновый интерактивный инструмент позволяет выбирать пробники по серии, модели или по стандартам/ приложениям путем

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ

Все, что вы хотели узнать о флэш-дисках, но боялись спросить Андрей Кузнецов Описываются технические характеристики флэш-дисков и рассматриваются вопросы, связанные с их выбором и применением. Что такое

Измерение физических величин. Неопределенности измерения, погрешности измерения. Измерение физических величин Измерением называется сравнение данной физической величины с величиной того же рода, принятой

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации (РФ) ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР) Кафедра Электронных приборов (ЭП) УТВЕРЖДАЮ Заведующий кафедрой

ГЛАВА 10 ПРОЕКТИРОВАНИЕ АППАРАТНОЙ ЧАСТИ Низковольтные интерфейсы Заземление в системах со смешанными сигналами Методы цифровой изоляции Понижение шума и фильтрация напряжения источника питания Работа

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МАМИ» Г. Б. ШИПИЛЕВСКИЙ

Содержание Введение 4 1.Надежное программное средство как продукт технологии программирования. 5 1.1. Программа как формализованное описание процесса обработки данных. 5 1.2. Понятие правильной программы.

Основные светотехнические понятия и их практическое применение В природе существует множество электромагнитных волн с различными параметрами: рентгеновские лучи, γ-лучи, микроволновое излучение и др. (см.

Содержание Полная измерительная система... 3 Генератор сигналов... 4 Аналоговый или цифровой... 5 Основные применения генератора сигналов... 6 Проверка...6 Тестирование цифровых модульных передатчиков

Министерство образования Российской Федерации Уральский государственный университет им А М Горького Подготовлено кафедрами общей физики и физики магнитных явлений КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ПО ОБРАБОТКЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

М Векторная алгебра и ее приложения для студентов и аспирантов математических, физических и технических специальностей м МГ Любарский Этот учебник возник на основе лекций по высшей математике, которые

Технология поверхностного монтажа зародилась в 1960-х годах и спустя 20 лет стала широко применяться в производстве электроники.

Сейчас данная технология является бесспорным лидером. Трудно найти современное устройство, которое бы не было выполнено с применением этой технологии.

Для начала давайте разберёмся в терминологии.

Поверхностный монтаж сокращённо называется SMT (от англ. S urface M ount T echnology - Технология монтажа на поверхность (по-русски, - ТМП )).

Так уж устоялось, что под аббревиатурой SMD порой имеют ввиду в том числе и саму технологию поверхностного монтажа, хотя на самом деле термин SMD имеет иное значение.

SMD - это S urface M ount D evice , то есть компонент или устройство, монтируемое на поверхность. Таким образом, под SMD надо понимать именно компоненты и радиодетали, а не технологию в целом. Иногда SMD-элементы называют чип-компонентами, например, чип-конденсатор или чип-резистор.

Вся суть технологии SMT заключается в том, чтобы устанавливать электронные компоненты на поверхность печатной платы. По сравнению с технологией монтажа компонентов в отверстия (так называемая THT - T hrouth H ole T echnology ), - эта технология обладает массой преимуществ. Вот лишь основные из них:

Отпадает надобность в сверлении отверстий под выводы компонентов;

Есть возможность установки компонентов с двух сторон печатной платы;

Высокая плотность монтажа, и, как следствие, экономия материалов и уменьшение габаритов готовых изделий;

SMD-компоненты дешевле обычных, имеют меньшие габариты и вес;

Возможность более глубокой автоматизации производства, по сравнению с технологией THT;

Если для производства SMT-технология очень выгодна за счёт своей автоматизации, то для мелкосерийного производства, а также для радиолюбителей, электронщиков, сервисных инженеров и радиомехаников, она создаёт массу проблем.

SMD компоненты: резисторы, конденсаторы, микросхемы имеют весьма маленькие размеры.

Давайте познакомимся с электронными SMD-компонентами. Для начинающих электронщиков это очень важно, так как поначалу порой сложно разобраться во всём их изобилии.

Начнём с резисторов. Как правило, SMD-резисторы выглядят вот так.

Обычно на их малогабаритном корпусе указана число-буквенная маркировка, в которой закодировано номинальное сопротивление резистора. Исключение составляют микроскопические по размерам резисторы на корпусе которых просто нет места для её нанесения.

Но, это только в том случае, если чип-резистор не принадлежит к какой-либо особой, высокомощной серии. Стоит также понимать, что самую достоверную информацию на элемент стоит искать в даташите на него (или на серию, к которой он принадлежит).

А вот так выглядят SMD конденсаторы.

В качестве SMD-конденсаторов широкое распространение получили многослойные керамические конденсаторы (MLCC - M ultiL ayer C eramic C apacitors ). Их корпус имеет характерный светло-коричневый цвет, а маркировка, как правило, не указывается.

Естественно, существуют и электролитические конденсаторы для поверхностного монтажа. Обычные алюминиевые конденсаторы имеют малые размеры и два коротких вывода у пластикового основания.

Так как габариты позволяют, то на корпусе алюминиевых SMD-конденсаторов указывается емкость и рабочее напряжение. Со стороны минусового вывода на верхней стороне корпуса чёрным цветом нанесён полукруг.

Кроме этого существуют танталовые электролитические конденсаторы , а также полимерные.

Танталовые чип-конденсаторы, в основном, выполняются в корпусе жёлтого и оранжевого цвета. Более подробно об их устройстве я уже рассказывал на страницах сайта. А вот полимерные конденсаторы имеют корпус чёрного цвета. Порой их легко спутать с SMD-диодами.

Надо отметить, что ранее, когда SMT монтаж ещё только зарождался, в ходу были конденсаторы в цилиндрическом корпусе и имели маркировку в виде цветных полос. Сейчас они встречаются всё реже.

Стабилитроны и диоды всё чаще производят в пластиковых корпусах чёрного цвета. Корпус со стороны катода маркируется полосой.

Диод Шоттки BYS10-45-E3/TR в корпусе DO-214AC

Иногда стабилитроны или диоды изготавливаются в трёхвыводном корпусе SOT-23, который активно применяют для транзисторов. Это вносит путаницу при определении принадлежности компонента. Имейте это ввиду.

Кроме стабилитронов, которые имеют пластмассовый корпус, довольно широко распространены безвыводные стабилитроны в цилиндрических стеклянных корпусах MELF и MiniMELF.

Стабилитрон на 18V (DL4746A) в стеклянном корпусе MELF

А вот так выглядит индикаторный SMD-светодиод.

Самая большая проблема таких светодиодов в том, что обычным паяльником их очень трудно выпаять с печатной платы. Подозреваю, что за это их люто ненавидят радиолюбители.

Даже при использовании термовоздушной паяльной станции вряд ли удастся выпаять SMD-светодиод без последствий. При небольшом нагреве прозрачный пластик светодиода оплавляется и просто "сползает" с основания.

Поэтому у новичков, да, и бывалых, возникает уйма вопросов, как выпаять SMD-светодиод не повредив его.

Также как и другие элементы, микросхемы адаптируют для поверхностного монтажа. Практически у всех популярных микросхем, которые изначально выпускались в DIP-корпусах под монтаж в отверстия, есть и версии для SMT-монтажа.

Для отвода тепла от микросхем в SMD-корпусах, которые в процессе работы нагреваются, частенько используется сама печатная плата и медные полигоны на её поверхности. В качестве своеобразных радиаторов используются и медные площадки на плате обильно лужёные припоем.

На фото наглядный пример, где драйвер SA9259 в корпусе HSOP-28 охлаждается медным полигоном на поверхности платы.

Естественно, под поверхностный монтаж затачиваются не только рядовые электронные компоненты, но и целые функциональные узлы. Взгляните на фото.

Микрофон для мобильного телефона Nokia C5-00

Это цифровой микрофон для мобильных телефонов Nokia C5-00. Его корпус не имеет выводов, а вместо них используются контактные площадки ("пятаки" или "пады").

Кроме самого микрофона в корпусе смонтирована и специализированная микросхема для усиления и обработки сигнала.

С микросхемами происходит тоже самое. Производители стараются избавиться даже от самых коротких выводов. На фото под №1 показана микросхема линейного стабилизатора MAX5048ATT+ в корпусе TDFN. Далее под №2 - микросхема MAX98400A. Это стереофонический усилитель класса D фирмы Maxim Integrated. Микросхема выполнена в 36-контактном корпусе TQFN. Центральная площадка используется для отвода тепла к поверхности печатной платы.

Как видим, микросхемы не имеют выводов, а только контактные площадки.

Под №3 - микросхема MAX5486EUG+. Стереофонический регулятор звука с кнопочным управлением. Корпус - TSSOP24.

В последнее время производители электронных компонентов стремятся избавиться от выводов и выполняют их в виде боковых контактных площадок. Во многих случаях площадь контакта переносят и под нижнюю часть корпуса, где он выполняет ещё и роль теплоотвода.

Так как SMD-элементы имеют небольшие размеры и установлены на поверхности печатной платы, то любая её деформация или изгиб может повредить элемент или нарушить контакт.

Так, например, многослойные керамические конденсаторы (MLCC) могут трескаться от давления на них при монтаже или из-за чрезмерной дозации припоя.

Избыток припоя приводит к механическому напряжению со стороны контактов. Малейший изгиб или удар провоцирует возникновение трещин в многослойной структуре конденсатора.

Вот один из примеров того, как излишки припоя на контактах приводят к появлению трещин в структуре конденсатора.

Фото взято из доклада фирмы TDK "Common Cracking Modes in Surface Mount Multilayer Ceramic Capacitors". Так что, много припоя не всегда хорошо.

А теперь маленькая загадка, чтобы оживить наш затянувшийся рассказ. Посмотрите на фото.

Определите, какие из элементов показаны на фото. Как, по-вашему, что скрывается под первым номером? Конденсатор? Может индуктивность? Нет, наверное, это какой-то особенный резистор...

А вот и ответ:

№1 - керамический конденсатор типоразмера 1206;

№2 - NTC-термистор (терморезистор) B57621-C 103-J62 на 10 кОм (типоразмер 1206);

№3 - дроссель подавления электромагнитных помех BLM41PG600SN1L (типоразмер 1806).

К сожалению, из-за своих размеров на подавляющее большинство SMD-компонентов просто-напросто не наносят маркировку. Также как и в приведённом примере, спутать элементы очень легко, так как все они очень похожи друг на друга.

Порой, данное обстоятельство осложняет ремонт электроники, особенно в тех случаях, когда на аппарат невозможно найти технической документации и схему.

Наверняка уже заметили, что SMD-детали упаковывают в перфорированную ленту. Её же в свою очередь скручивают в катушку-бобину. Зачем это надо?

Дело в том, что лента эта используется неспроста. Она очень удобна для подачи компонентов в автоматическом режиме на монтажно-сборочных станках (установщиках).

В промышленности монтаж и пайка SMD-компонентов производится с помощью специального оборудования. Если не вдаваться в детали, то процесс выглядит следующим образом.

С помощью трафаретов на контактные площадки под элементы наносится паяльная паста. Для крупносерийного производства применяются автоматы трафаретной печати (принтеры), а для мелкосерийного используются системы дозирования материала (дозирование паяльной пасты и клея, заливка компаунда и пр.). Автоматические дозаторы нужны для производства изделий требовательных к условиям эксплуатации.

Затем происходит автоматизированная установка SMD-компонентов на поверхность платы с помощью автоматов установки компонентов (установщиков). В некоторых случаях детали на поверхности фиксируются каплей клея. Станок-установщик оснащён системой забора компонентов (с той самой ленты), системой технического зрения для их распознавания, а также системой установки и позиционирования компонентов на поверхность платы.

Далее заготовку отправляют в печь, где происходит оплавление паяльной пасты. В зависимости от техпроцесса оплавление может производиться методом конвекции или инфракрасным излучением. Например, для этого могут применяться печи конвекционного оплавления.

Отмывка печатной платы от остатков флюса и других веществ (масло, жир, пыль, агрессивные вещества), сушка. Для этого процесса используются специальные системы отмывки.

Естественно, в производственном цикле используется куда больше различных станков и приборов. Например, это могут быть системы рентгеновского контроля, испытательные климатические камеры, автоматы оптической инспекции и многое другое. Всё зависит от масштабов производства и требований к конечному продукту.

Стоит отметить, что, несмотря на кажущуюся простоту SMT-технологии, на деле всё обстоит по-другому. Примером могут служить дефекты, которые образуются на всех стадиях производства. Некоторые из них вы могли уже наблюдать, например, шарики припоя на плате.

Они образуются из-за смещения трафарета или избыточного количества паяльной пасты.

Также не редкостью является образование пустот внутри паяного соединения. Они могут быть заполнены остатками флюса. Как ни странно, но наличие небольшого количества пустот в соединении положительно сказывается на надёжности контакта, так как пустоты препятствуют распространению трещин.

Некоторые из дефектов даже получили устоявшиеся названия. Вот некоторые из них:

"Надгробный камень " - это когда компонент "встаёт на дыбы" перпендикулярно плате и запаивается одним выводом только лишь к одному контакту. Более сильное поверхностное натяжение с одного из торцов компонента заставляет его подняться над контактной площадкой.

"Собачьи уши " - неравномерное распределение пасты в отпечатке при условии достаточного её количества. Вызывает припойные перемычки.

"Холодная пайка " - некачественное паяное соединение из-за низкой температуры пайки. Внешний вид паяного соединения имеет сероватый оттенок, а также пористую, бугроватую поверхность.

Эффект "Поп-Корна " ("Popcorn effect ") при пайке микросхем в корпусе BGA. Дефект, который возникает из-за испарения влаги поглощённой корпусом микросхемы. При пайке влага испаряется, внутри корпуса образуется полость вздутия, которая схлопываясь, образует трещины в корпусе микросхемы. Интенсивное парообразование при нагреве также выдавливает припой с площадок, что образует неравномерное распределение припоя среди шариков-контактов и образование перемычек. Данный дефект выявляется с помощью рентгена. Образуется из-за неправильного хранения компонентов, чувствительных к влаге.

Довольно важным расходным материалом в технологии SMT является паяльная паста. Паяльная паста состоит из смеси очень мелких шариков припоя и флюса, который облегчает процесс пайки.

Флюс улучшает смачиваемость за счёт уменьшения поверхностного натяжения. Поэтому при нагреве, расплавившиеся шарики припоя легко покрывают поверхность контакта и выводы элемента, образуя паяное соединение. Флюс также способствует удалению окислов с поверхности, а также защищает её от воздействия окружающей среды.

В зависимости от состава флюса в припойной пасте, он может выполнять и функцию клея, который фиксирует SMD-компонент на плате.

Если вы наблюдали процесс пайки SMD-компонентов, то могли заметить действие эффекта самопозиционирования элемента. Выглядит это очень здорово. За счёт сил поверхностного натяжения компонент как бы сам выравнивается относительно поверхности контакта на плате, плавая в жидком припое.

Вот так, казалось бы, такая простая идея установки электронных компонентов на поверхность печатной платы позволила уменьшить общие габариты электронных устройств, автоматизировать производство, снизить затраты на компоненты (SMD компоненты на 25-50% дешевле обычных) а, следовательно, сделать бытовую электронику более дешёвой и компактной.

Федеральное агентство по образованию РФ

Курсовая работа

на тему: «DIP - монтаж»

Рязань, 2008

Типы SMT сборок

В электронной промышленности существует шесть общих типов SMT сборки, каждому из которых соответствует свой порядок производства. Существует специальный стандарт, в котором представлены основные виды сборок, разбитые по классам.

SMC и IPC документация по поверхностному монтажу на платы, IPC-7070, J-STD-013 и National Technology Roadmap for Electronic Interconnections включают классификацию следующих схем поверхностного монтажа:

Тип 1 - монтируемые компоненты установлены только на верхнюю сторону или interconnecting structure

Тип 2 - монтируемые компоненты установлены на обе стороны платы или interconnecting structure

Класс А - только through-hole (монтируемые в отверстия) компоненты

Класс В - только поверхностно монтируемые компоненты (SMD)

Класс С - смешанная: монтируемые в отверстия и поверхностно монтируемы компоненты

Класс Х - комплексно-смешанная сборка: through-hole, SMD, fine pitch, BGA

Класс Y - комплексно-смешанная сборка: through-hole, surface mount, Ultra fine pitch, CSP

Класс Z - комплексно-смешанная сборка: through-hole, Ultra fine pitch, COB, Flip Chip, TCP

Ниже будут рассмотрены основные варианты размещения компонентов на плате, применяемые разработчиками.

Рис. 1- Тип 1В: SMT Только верхняя сторона

Этот тип не является общим так как большинство разработок требует некоторых DIP компонентов. Его называют IPC Type 1B.

Порядок проведения процесса: нанесение припойной пасты, установка компонентов, пайка, промывка.

Рис. 2 - Тип 2B: SMT Верхние и нижние стороны

На нижней стороне платы размещаются чип-резисторы и другие компоненты небольших размеров. При использовании пайки волной, они будут повторно оплавляться за счет верхнего (побочного) потока волны припоя. При размещение больших компонентов с обеих сторон, типа PLCC, увеличивают издержки производства, потому что компоненты нижней стороны должны устанавливаться на специальный токопроводящий клей. Данный тип называется IPC Type 2B.

Порядок проведения процесса:

нанесение припойной пасты, установка компонентов, пайка, промывка нижней стороны;

нанесение припойной пасты на верхнюю сторону печатной платы, установка компонентов, повторная пайка, промывка верхней стороны.

Специальный тип: SMT верхняя сторона в первом случае и верхняя и нижняя во втором, но PTH только верхняя сторона.

Этот метод установки используется, когда имеются DIP компоненты, в SMT сборке. Процесс включает размещение DIP компонентов, вставляемых в отверстия перед SMT пайкой. При использовании данного метода убирается лишняя операция пайки волной или ручной пайки PTH компонентов, что значительно уменьшает стоимость изделия. Первое требование - способность компонентов противостоять вторичной пайки. Кроме того, размеры отверстия платы, контактные площадки и геометрия трафарета должны быть точно совмещены, чтобы достичь качественной спайки. Плата должна иметь сквозные металлизированные отверстия и может быть односторонней или двухсторонний, то есть компоненты могут размещаться как с верхней так и с нижней стороны.

Обязательным требованием при использовании данного метода является наличие сквозных металлизированных отверстий.

Порядок обработки односторонней печатной платы:

нанесение припойной пасты, установка SMT компонентов, установка PTH компонентов, пайка, промывка верхней стороны.

Порядок обработки двухсторонней печатной платы:

нанесение припойной пасты, установка SMT компонентов, повторное оплавление, промывка нижней стороны;

установка PTH компонентов, пайка, промывка верхней стороны.

Рис. 4 - Тип 1С: SMT только верхняя сторона и PTH только верхняя сторона

Данный метод является смешанной технологией сборки. Все модули SMT и PTH установлены на верхней стороне платы. Допускается установка некоторых компонентов монтируемых в отверстия (PTH) на верхней стороне платы, где размещены SMT компоненты для увеличения плотности. Данный тип сборки называется IPC Type 1C.

Порядок проведения процесса:

нанесение припойной пасты, установка, оплавление, промывка верхней части SMT;

автоматическая установка DIP, затем осевых компонентов (такие как светодиоды);

пайка волной PTH компонентов, промывка.

Рис. 5 - Тип 2С: SMT верхняя и нижняя стороны или PTH на верхней и нижней стороне

Установка поверхностно монтируемых и монтируемых в отверстия (DIP) компонентов с обеих сторон платы не рекомендуется из-за высокой стоимости сборки. Эта разработка может требовать большого объема ручной пайки. Также не применяется автоматическая установка PTH компонентов из-за возможных конфликтов с SMT компонентами на нижней стороне платы. Данный тип сборки называется IPC Type 2C.

Порядок проведения процесса:

нанесение припойной пасты, установка, пайка, промывка верхней стороны SMT;

нанесение специального токопроводящего клея через трафарет, установка, фиксация SMT;

автоматическая установка DIP и осевых компоненты;

маскирование всей нижней стороны PTH компонентов;

ручная установка других компонентов;

ручная пайка нижней стороны PTH компонентов.

Рис. 6 - Тип 2C: SMT только нижняя сторона или PTH только верхняя

Данный тип предполагает размещение поверхностного крепления с нижней стороны платы и PTH на верхней стороне. Он также является одним из очень популярных видов размещения, т.к. позволяет значительно увеличить плотность размещения компонентов. Тип имеет название IPC Type 2C.

Порядок обработки (PTH конфликтов на нижней стороне нет):

нанесения клея через трафарет, установка, высыхания клея на нижней стороны SMT;

ручная установка других компонентов;

Альтернативный порядок обработки (PTH конфликтов на нижней стороне):

автоматическая установка DIP, затем осевых компонентов;

точечное нанесение клея (диспенсорный метод), установка, высыхания клея на нижней стороны SMT;

ручная установка компонентов;

пайка волной PTH и SMT компонентов, промывка.

Рис. 7 - Тип 2Y: SMT верхняя и нижняя стороны или PTH только на верхней стороне

Данный тип позволяет располагать поверхностно монтируемые компоненты с обеих сторон платы, а DIP компоненты только на верхней. Это очень популярный вид сборки у разработчиков, позволяющий разместить компоненты с высокой плотность. Нижняя сторона SMT компонентов остается свободной от осевых элементов и ножек DIP компонентов. Например, нельзя размещать микросхемы между ножками DIP компонента.

Порядок проведения процесса (без размещения поверхностно монтируемых (SMT) между ножками монтируемых в отверстия (PTH) компонентов на нижней стороне платы):

нанесение припойной пасты, установка, пайка, промывка верхней стороны части SMT;

нанесение клея через трафарет, размещение, высыхание клея SMT на нижней стороне;

автоматическая установка DIP, а затем осевых компонентов;

ручная установка других компонентов;

пайка волной PTH и SMT компонентов, промывка;

Альтернативный порядок проведения процесса (на нижней стороне платы поверхностно монтируемых (SMT) компоненты размещены между ножек монтируемых в отверстия (PTH)):

нанесение припойной пасты, размещение, пайка, промывка верхней стороны части SMT;

автоматическая установка DIP, затем осевых компонентов;

точечное нанесение клея (диспенсорным методом), установка, высыхание клея на нижней стороны платы;

ручная установка других компонентов;

пайка волной PTH и SMT компонентов, промывка.

Рис. 8 - Технологический маршрут сборки печатных плат

Технология монтажа в отверстия

Технология монтажа в отверстия (Through Hole Technology, THT), также называемая иногда штырьковым монтажом, является родоначальником подавляющего большинства современных технологических процессов сборки электронных модулей. Также существует ряд распространенных, но не совсем корректных названий данной технологии, например, DIP-монтаж (название происходит от типа корпуса - Dual In-Line Package - корпус с двухрядным расположением выводов, широко применяемого, но не единственного в данной технологии) и выводной монтаж (название не совсем корректно, поскольку монтаж компонентов с выводами применяется и во многих других технологиях, в т.ч. в поверхностном монтаже).

Фактически данная технология появилась вместе с началом использования монтажных плат, как метода выполнения электрических соединений. До этого монтаж компонентов осуществлялся пространственно путем крепления выводов компонентов к металлическим контактам на конструктивных элементах устройства, либо соединением выводов компонентов между собой. Применение монтажных плат перенесло конструирование узлов из пространства на плоскость, что значительно упростило как процесс разработки конструкций, так и изготовление устройств. Появление печатного монтажа в дальнейшем привело к революции в технологичности и автоматизации проектирования электронных устройств.

Технология монтажа в отверстия, как следует из названия, представляет собой метод монтажа компонентов на печатную плату, при котором выводы компонентов устанавливаются в сквозные отверстия платы и припаиваются к контактным площадкам и/или металлизированной внутренней поверхности отверстия.

Широкое распространение технология монтажа в отверстия получила в 50-х - 60-х годах XX века. С тех пор значительно уменьшились размеры компонентов, увеличилась плотность монтажа и трассировки плат, было разработано не одно поколение оборудования для автоматизации сборки узлов, но основы конструирования и изготовления узлов с применением данной технологии остались неизменны.

В настоящее время технология монтажа в отверстия уступает свои позиции более прогрессивной технологии поверхностного монтажа, в особенности, в массовом и крупносерийном производстве, бытовой электронике, вычислительной технике, телекоммуникациях, портативных устройствах и других областях, где требуется высокая технологичность, миниатюризация изделий и хорошие слабосигнальные характеристики.

Тем не менее, есть области электроники, где технология монтажа в отверстия по сей день является доминирующей. Это, прежде всего, силовые устройства, блоки питания, высоковольтные схемы мониторов и других устройств, а также области, в которых из-за повышенных требований к надежности большую роль играют традиции, доверие проверенному, например, авионика, автоматика АЭС и т.п.

Также данная технология активно применяется в условиях единичного и мелкосерийного многономенклатурного производства, где из-за частой смены выпускаемых моделей автоматизация процессов неактуальна. Эта продукция, в основном, выпускается небольшими отечественными предприятиями как для бытового, так и для специального применения.

Некоторое время назад имела место ситуация, когда выбор технологии монтажа в отверстия мог быть продиктован применяемыми компонентами. Некоторые компоненты попросту не выпускались в корпусах для поверхностного монтажа. Особенно это было актуально для нашей страны, поскольку новинки доходили до нас с опозданием. Сейчас эта ситуация существенно изменилась, и большинство компонентов общего применения можно найти либо в обоих исполнениях, либо в исполнении для поверхностного монтажа, поскольку он считается более прогрессивным. Исключение составляют силовые компоненты, электромеханические реле, разъемы, большие переменные резисторы, панели ИМС и некоторые другие компоненты, однако многие из них уже имеют аналоги для монтажа на поверхность. Существует неоднозначное отношение к надежности электролитических конденсаторов для поверхностного монтажа, а их танталовые аналоги достаточно дороги, поэтому часто на платах среди поверхностного монтажа можно встретить штыревые алюминиевые электролитические конденсаторы. Все это обуславливает необходимость применения технологии смешанного монтажа (одновременного наличия на ПП SMT- и THT-компонентов).

Технология установки THT-компонентов относительно проста, хорошо отработана, допускает ручные и автоматизированные методы сборки, хорошо обеспечена сборочным оборудованием и технологическим оснащением. В данной статье кратко рассмотрены основные операции THT-технологии.

Компоненты

ЭК, используемые в технологии монтажа в отверстия, по типу корпуса можно разбить на следующие основные группы (примеры корпусов приведены на рис. 9):

а) ЭК с осевыми (часто встречается обозначение axial, аксиальными) выводами;

б) ЭК с радиальными выводами (radial);

в) SIL, SIP (Single In-Line Package) - многовыводной корпус с однорядным распо ложением выводов;

г) DIP (Dual In-Line Package) - корпус с двухрядным расположением выводов;

д) разъемы, слоты;&

е) панели для ИС, в том числе DIP; ZIF (Zero Insertion Force, панели с нулевым усилием вставки для штырьковых ИС); PGA (Pin Grid Array, панели для штырьковых ИС с матрицей выводов);

ж) различные компоненты сложной формы.

Рис. 9 - Примеры THT-компонентов: а) с осевыми выводами; б) с радиальными выводами; в) в корпусах SIL; г) в корпусах DIP; д) разъемы; е) панели для ИС; ж) ЭК сложной формы

Такое разделение компонентов, прежде всего, связано с особенностями технологии их монтажа. Так, например, осевые и радиальные выводы компонентов требуют формовки и обрезки, тогда как большинство других компонентов в этом не нуждаются. При формовке выводов, и как следствие, последующей установке компонентов с осевыми выводами они имеют дополнительную степень свободы (вращение вокруг оси), поэтому их маркируют цветными кольцами (см. рис. 9а), исключающими установку «маркировкой вниз».

Также есть различия в механизмах захвата, базирования и фиксации разных групп компонентов, поэтому часто компоненты в разных корпусах устанавливаются каждый на своем оборудовании.

Типичная последовательность операций

Технологический процесс сборки ПП на основе THT-технологии состоит из следующих типовых этапов:

подготовка выводов ЭК (формовка, обрезка), часто совмещается с автоматизированным монтажом;

установка компонентов (ручная, автоматическая);

пайка (волной припоя, ручная, селективная);

отмывка (ультразвуковая, струйная).

На некоторых предприятиях сохранилась технология, при которой из-за проблем с покрытиями выводов и хранением компонентов подготовка выводов включала в себя предварительное лужение, однако современная технология этого не предусматривает благодаря качественной упаковке и покрытию выводов современных компонентов. Ниже рассмотрены данные операции в порядке выполнения.

Подготовка выводов ЭК

Выводы ЭК перед монтажом должны быть специальным образом подготовлены. Цель подготовки:

выравнивание (рихтовка) выводов (если требуется);

обеспечение необходимого монтажного расстояния между выводами;

зазора между ПП и компонентом (если требуется);

фиксации ЭК на ПП при ручном монтаже либо до поступления платы в установку пайки.

Зазор обычно обеспечивается приданием выводам ЭК соответствующего изгиба - т.н. «опорного зимга» (рис. 2а); самофиксация ЭК на ПП перед групповой пайкой - особым изгибом части вывода, входящей в отверстие ПП - замкам (рис. 2б). Одновременное выполнение зига и замка носит название «зиг-замомк».

Также возможно крепление ЭК следующими методами:

обеспечением пружинения выводов;

посадкой на клей (клей полимеризуется при комнатной температуре, при этом для стеклянных корпусов может понадобиться надевание трубки на часть корпуса, контактирующую с адгезивом; также необходимо обеспечить достаточное количество клеевых точек для крепления тяжелых ЭК);

подпайкой выводов (применяется при ручном монтаже - например, подпайка двух диагонально расположенных выводов разъема);

подгибкой (полной либо частичной - на угол от 0 до 45° от плоскости ПП и только для выводов диаметром менее 0,7 мм (более - в технически обоснованных случаях); необходимо обеспечить минимально допустимое расстояние от загнутого вывода до соседних КП/выводов/проводников; следует осуществлять подгибку вдоль печатного проводника, если в конструкторской документации нет других указаний);

с использованием различных держателей (хомутов, металлических скоб, клипс, зажимов).

Тяжелые элементы (например, трансформаторы) или элементы, подверженные механическим воздействиям (тумблеры, потенциометры, подстроечные конденсаторы), устанавливаются с помощью особых держателей. Такие держатели обеспечивают надежное механическое крепление соответствующих элементов к ПП и предотвращают обрыв и поломку выводов под воздействием механических нагрузок.

Рис. 10 - Обеспечение с помощью формовки выводов ЭК: а) зазора между ПП и компонентом (опорный зиг); (б) самофиксации ЭК на ПП (замомк)

Формовку круглых или ленточных выводов элементов производят с помощью ручного монтажного инструмента либо специальных полуавтоматических устройств таким образом, чтобы исключались механические нагрузки на места крепления выводов к корпусу. При формовке выводов не допускается их механическое повреждение, нарушение защитного покрытия, изгиб в местах соединения вывода и корпуса, скручивание относительно оси корпусов, растрескивание стеклянных изоляторов и пластмассовых корпусов.

Основные ограничения (рис. 11) накладываются на размер от корпуса ЭК до оси изогнутого вывода (L) и внутренний радиус изгиба выводов (R). Минимальный размер L в зависимости от типа ЭК находится в пределах 0,75 - 4 мм (но не менее 2·D выводов); размер R зависит от диаметра вывода и составляет минимум 0,5 - 1,5 мм (но не менее (1-2)·D выводов). Также на выводах не должно быть деформаций и утонений, превышающих 10% от диаметра, ширины либо толщины вывода.

Рис. 11 - Основные параметры формовки

Несоблюдение данных рекомендаций может привести к образованию избыточных напряжений в месте крепления вывода к корпусу ЭК и в области изгиба вывода и, как следствие, появлению в этих местах трещин и, возможно, обрывов, в особенности при механических воздействиях на собранный узел. Не допускается изгибать жесткие выводы (лепестки) транзисторов и диодов средней и большой мощности, так как это может привести к растрескиванию их стеклянных изоляторов и нарушению герметичности корпусов.

Расстояние от корпуса до места пайки должно быть не менее 2,5 мм, если не приняты меры к дополнительному теплоотводу в процессе пайки.

Не осуществляют формовку, подгибку и обрезку при установке многовыводных ЭК (ИС в DIP-корпусе и пр.). Для них может проводиться исключительно рихтовка (выравнивание) выводов, если в этом есть необходимость.

Устройства формовки выпускаются с механическим и электрическим приводом подачи ЭК, а также механическим либо пневматическим - самого устройства формовки. Загрузка компонентов производится из лент, трубчатых кассет, россыпи. Геометрические параметры формовки регулируются; установки оснащаются сменными формовочными матрицами. Специальная конструкция матриц формовочных устройств обеспечивают отсутствие избыточных напряжений и зазубрин на материале в месте изгиба вывода. Примеры отформованных выводов различных THT-компонентов приведены на рис. 12.

Рис. 12 - Примеры формовки выводов ЭК с осевыми (а) и радиальными (б) выводами

Производительность формовочного оборудования в автоматическом режиме при загрузке из лент, как правило, составляет до 40000 ЭК/час для ЭК с осевыми выводами и 20000 ЭК/час - с радиальными; при загрузке ЭК из россыпи - 7000 и 3000 ЭК/час соответственно. При ручной подаче ЭК типовая производительность - около 1500-3000 ЭК/час.

Существуют автоматические счетчики выводных компонентов, вклеенных в ленту (до 100 ЭК/с).

Установка компонентов

печатный плата вывод пайка

Установка ТНТ-компонентов осуществляется с применением специальных монтажных автоматов, автоматизированных рабочих мест (АРМ) либо полностью вручную.

Автоматизированный монтаж

Сборочное оборудование

Существует два основных вида автоматизированного оборудования по критерию выполняемых функций:

собственно монтажные автоматы (inserter, от insert - вставлять), осуществляющие вставку штырьковых выводов ЭК в отверстия на ПП, их подрезку и подгибку (опционально) с обратной стороны ПП с помощью монтажных, гибочных и отрезных головок соответственно; делятся на группы по типу компонентов (Axial (Radial) inserter - автомат для монтажа ЭК с осевыми (радиальными) выводами, DIP inserter - автомат для монтажа ЭК в корпусах DIP, Odd-Form inserter - автомат для монтажа ЭК в корпусах сложной формы);

секвенсеры (sequencer) - автоматы формирования последовательности устанавливаемых ЭК (т.е. подготовки программной ленты, содержащей последовательно вклеенные ЭК разных типоразмеров в порядке их последующего монтажа; осуществляется путем переклейки ЭРЭ из первичных лент по программе).

Многие монтажные автоматы одновременно обладают функцией секвенсеров, т.е. могут работать непосредственно из первичных лент без необходимости подготовки программной ленты.

Следует отметить, что на современном рынке, наряду с выпускавшимся в 90-е г.г. и продающимся сейчас б/у (в т.ч. восстановленным) оборудованием для выводного монтажа (различные модели автоматов Dynapert, Panasert, Amistar, Universal Instruments и пр.), присутствуют современные модели различных производителей, уделяющих существенное внимание развитию технологии автоматизированного монтажа в отверстия. Многие опции автоматов, ранее доступные лишь для SMT-монтажа, стали неотъемлемой частью современного сборочного оборудования для THT-технологии. Следящие приводы перемещений по координатным осям, управление с помощью ПК, загрузка питателей без остановки работы, контроль правильности подачи ЭК, одновременная сборка более чем одной ПП, автоматическая загрузка/выгрузка ПП, коррекция погрешностей проводящего рисунка ПП, автоматическая смена захватных устройств - все это доступно в настоящее время и для штырькового монтажа. Применяются системы технического зрения для оптической коррекции положения ЭК и считывания реперных знаков. Сборочные головки автоматов оснащены преимущественно механическими захватами с сервоприводом. Стандартные углы поворота ЭК кратны 90°, однако, как правило, существует возможность оснащения автомата сборочной головкой со свободным углом поворота.

Ряд автоматов обладает способностью устанавливать на ПП проволочные перемычки (jumpers), нарезая их непосредственно перед монтажом из непрерывного прутка.

Паспортная производительность современного монтажного оборудования достигает 20000-40000 ЭК/час при уровне ошибок монтажа 100-200 ppm (для простых ЭК). Производительность при монтаже ЭК сложной формы может быть меньше на порядок. Основными параметрами оборудования, помимо перечисленных выше, являются геометрические характеристики ЭК и ПП, которые подлежат установке:

диапазон либо дискретный набор расстояний между выводами (рядами выводов);

максимальный диаметр и высота ЭК (в зависимости от его типа - с осевыми либо радиальными выводами);

диапазон диаметров выводов;

диапазон габаритных размеров ПП.

Загрузочные устройства

Для оснащения автоматов монтажа THT-компонентов используются загрузочные устройства (питатели) следующих основных типов (рис. 13):

ленточные для ЭК с радиальными и осевыми выводами - предназначены для пошаговой подачи ЭРЭ, вклеенных в ленту; лента может быть намотана на бобину (Tape and Reel) или упакована в «магазин» - коробку (Ammo Pack);

из трубчатых кассет для ИС в DIP-корпусе, компонентов сложной формы - с наклонным транспортным лотком и горизонтальные (для ЭК, которые не скользят свободно по наклонному лотку вследствие своих конструктивных особенностей - массы, формы корпуса либо выступающих острых выводов);

вибробункерные для подачи различных ЭК из россыпи с возможностью их одновременной ориентации перед захватом;

матричные (сотовые) для ЭК сложной формы - из матричных поддонов, магазинов.

Рис. 13 - Примеры питателей для THT-компонентов: а) с осевыми выводами; б) с радиальными выводами; в) из трубчатых кассет; г) вибробункерный; д) из матричных поддонов

Ряд моделей оборудования оснащается питателями с микропроцессорным управлением, а также устройствами их автоматической смены.

Ручная и полуавтоматическая установка компонентов

Данная операция выполняется на АРМах либо монтажных столах. В этих устройствах автоматизирована подача сборочной информации - места установки ЭК на ПП и его требуемой ориентации, а также может быть обеспечена автоматическая подача нужного лотка с компонентами устанавливаемого типономинала, механизирован процесс фиксации ПП на монтажном столе. АРМы могут быть дополнительно оснащены устройствами формовки выводов ЭК. Такое оборудование дешево, но малопроизводительно (1000-2000 ЭК/ч).

Существуют следующие варианты установки ЭК:

С зазором (вариант II по ОСТ4 010.030-81). При таком способе установки легче осуществить отмывку собранных узлов от остатков флюса, меньше перегрев ИС при пайке. Печатные проводники могут располагаться в этом случае под навесным элементом. При определенных условиях (при определенных спектрах воздействия) улучшается стойкость к вибро- и ударным воздействиям, передающимся по плате, поскольку воздействие демпфируется выводами. Тем не менее, увеличивается высота узла, меньше его устойчивость к прямым механическим воздействиям. Возможен отрыв КП от односторонней ПП при приложении значительного давления к ЭК сверху.

Без зазора (вариант I по ОСТ4 010.030-81). Элементы лучше сопротивляются механическим нагрузкам (в особенности - с дополнительным креплением за корпус скобой и т.д.), высота узла получается меньшей. Улучшается теплоотдача от компонента печатной плате, что часто применяется, когда использование радиатора нецелесообразно. Компоненты с радиальными выводами, уложенные на бок, рекомендуется устанавливать исключительно без зазора (в отдельных случаях - с технологическими прокладками под корпусом). Уменьшается длина выводов ЭК, что улучшает электрические характеристики устройства. Однако может быть затруднена отмывка собранного узла, а также необходимо обеспечить взаимную изоляцию ЭК и печатных проводников, металлизированных отверстий, проходящих под корпусом (например, с помощью изолирующих прокладок с приклейкой их к корпусу ЭК и/или ПП).

Вертикальная установка ЭК (вариант III по ОСТ4 010.030-81) с осевыми выводами увеличивает плотность компоновки, однако снижает технологичность, повышает вероятность взаимного замыкания выводов, увеличивает высоту узла и делает внешний вид неопрятным. При этом необходимо, чтобы угол наклона ЭК относительно вертикальной оси не превышал 15°.

Типы установки компонентов регламентируется отраслевыми стандартами, например ОСТ4 010.030-81, и стандартами предприятия. Хотя требования отраслевых стандартов не являются в настоящее время обязательными, их часто применяют в качестве рекомендации и исходных документов.

Устанавливать ЭК следует таким образом, чтобы были различимы элементы их маркировки, в особенности касающиеся полярности, для обеспечения последующего контроля правильности монтажа.

Рис. 14 - Примеры держателей ПП

Монтаж компонентов можно проводить, устанавливая по одному ЭК и далее осуществляя пайку путем поворота ПП, однако более технологичным является способ, когда ПП в процессе монтажа имеет жесткую фиксацию. Для закрепления печатных плат и их поворота в процессе монтажа применяют специальные приспособления. Существуют держатели ПП (рис. 6), снабженные подпружиненным фиксатором платы, обеспечивающие возможность ее закрепления в горизонтальной, вертикальной, а также повернутой вокруг одной или двух осей плоскости, антистатическую защиту при монтаже и пайке. Процесс ручной пайки ЭК рассмотрен ниже.

Пайка

В рамках THT-технологии преимущественно применяются три метода пайки: пайка волной, селективная и ручная.

Пайка волной припоя

Пайка волной - наиболее распространенный метод пайки, впервые появившийся в 50-е годы XX века. Он применяется как для изделий на основе исключительно штырьковых компонентов, так в случае смешанного монтажа, когда на ПП одновременно наличествуют THT- и SMD-компоненты.

В процессе пайки ПП устанавливаются на конвейер и последовательно проходят несколько рабочих зон паяльной установки: зону флюсования, предварительного нагрева, пайки.

Особое влияние на процесс пайки оказывают следующие параметры:

угол наклона конвейера;

скорость движения конвейера;

тип применяемого флюса и его плотность;

толщина слоя флюса и равномерность его нанесения;

температура и скорость предварительного нагрева;

тип применяемого припоя и степень его чистоты (отсутствие примесей);

температура припоя;

форма, высота и стабильность волны припоя;

атмосфера при пайке и степень ее чистоты.

Флюс удаляет оксидные пленки с паяемых поверхностей, улучшает смачивающую способность припоя и предотвращает окисление до начала пайки. Применяются флюсы на водной и канифольной основе, в том числе не требующие отмывки, а также водосмываемые флюсы. Флюсование осуществляется одним из двух основных способов: распылением и с помощью пенообразователя. Многие установки пайки волной имеют возможность оснащения флюсователями обоих типов.

Распыление флюса осуществляется, например, при помощи вращающегося сетчатого барабана, где поток сжатого воздуха, пропущенный через его сетку, создает мелкодисперсную струю жидкого флюса. Существуют конструкции флюсователей, где флюс предварительно переходит в мелкодисперсное состояние на рабочей поверхности ультразвуковой форсунки, а затем распыляется потоком сжатого воздуха. Слой наносимого флюса должен быть равномерным и иметь толщину 1-10 мкм в сухом состоянии. Производится подбор оптимального давления при распылении, а также контроль плотности флюса. Метод распыления обладает рядом преимуществ по сравнению с пенообразованием, в частности, он более экономичен, а также позволят точнее контролировать толщину флюса.

Пенное флюсование осуществляется с помощью фильтрующих элементов (трубчатых фильтров либо пористых камней (например, пемзы) с размером пор? 3 - 35 мкм), которые образуют однородную пену, состоящую из пузырьков малого диаметра. Пена направляется на плату с помощью сопла. Пузырьки, лопаясь, разбрызгивают флюс по нижней поверхности ПП. Чем меньше размер пузырьков пены, тем лучшее смачивание обеспечивает флюсование, поэтому применение трубчатых фильтров по сравнению с пористыми камнями предпочтительно. Высота подъема пены регулируется (обычно не более 2 см).

Зона флюсования оканчивается устройством «воздушного ножа», служащим для удаления избытка флюса с поверхности ПП.

Предварительный нагрев служит для предотвращения теплового удара ПП и ЭК в результате контакта с волной горячего припоя, сушки (удаления растворителя) и активации флюса. Нагрев осуществляется ИК-модулями с различной длиной волны, кварцевыми нагревателями и конвекционными системами (последние особенно эффективны в случае наличия на ПП ЭК, обладающих большой теплоемкостью).

Далее конвейер с ПП проходит непосредственно зону пайки, где в ванне с помощью помпы формируется волна расплавленного припоя. Платы устанавливаются либо на пальчики (лепестки) конвейера, как правило, выполненные из титана, либо крепятся в паллетах. Конвейер обладает возможностью регулировки скорости движения (0-2 м/мин) и угла наклона ПП по отношению к волне (5-9°), что важно для обеспечения стекания избыточного количества припоя. Форма волны припоя может быть различной, в зависимости от применяемой модели оборудования. Изначально использовалась симметричная волна, но впоследствии произошел переход к несимметричным (T-образная, Z-образная, W-волна и пр.), обеспечивающим лучшие результаты с точки зрения качества паяных соединений (рис. 15а). Производители ЭК в своих рекомендациях указывают параметры профиля пайки волной, которые включают в себя температуру и скорость предварительного нагрева, скорость подъема температуры при воздействии волны, максимальную температуру, которой подвергается ЭК во время пайки и время выдержки при ней, а также максимально допустимую скорость охлаждения ПП.

Рис. 15 - Волна припоя: а) симметричной и несимметричной формы; б) первая (турбулентная) и вторая (ламинарная) для пайки двойной волной

Для изделий на базе смешанного монтажа применятся т.н. «двойная» волна припоя (рис. 16б). Первая волна является узкой, подается из сопла под большим давлением и имеет турбулентный характер. Ее задача - обеспечить смачивание выводов ЭК и исключить формирование полостей с газообразными включениями, оставшимися от разложения флюса. Вторая волна - ламинарная, ее скорость истечения ниже; она разрушает перемычки, образованные первой волной, и завершает формирование паяных соединений. Пример температурного профиля пайки ПП двойной волной представлен на рис. 16.

Рис. 16 - Пример температурного профиля для бессвинцовой пайки ПП двойной волной

Подобно зоне предварительного нагрева, зона пайки также оканчивается «воздушным ножом», удаляющим излишки припоя и разрушающим перемычки.

Ряд моделей оборудования обеспечивает возможность пайки волной в среде инертного газа (азота). Применяется подача азота непосредственно к месту пайки либо создание азотного «туннеля» над всеми зонами. Цель применения азота - уменьшить окисление припоя и флюса, получить более блестящие и яркие паяные соединения, снизить уровень образования шлама и, как следствие, исключить засорение форсунок.

Ручная пайка

Ручная пайка предварительно установленных THT-компонентов проводится с применением аналоговых и цифровых паяльных станций.

Подготовленные поверхности покрывают флюсом непосредственно перед пайкой. Механизм действия флюса заключается в том, что окисные пленки металла и припоя под действием флюса растворяются, разрыхляются и всплывают на его поверхности. Вокруг очищенного металла образуется защитный слой флюса, препятствующий возникновению окисных пленок. Жидкий припой замещает флюс и взаимодействует с основным металлом. Слой припоя постепенно увеличивается и при прекращении нагрева затвердевает.

При проведении процесса пайки крайне важно выдерживать необходимую температуру. Пониженная температура приводит к недостаточной жидкотекучести припоя и плохому смачиванию соединяемых поверхностей. Значительное увеличение температуры вызывает обугливание флюса до активации им поверхностей спая. Следует отметить, что температура жала паяльника, выставленная на паяльной станции, всегда выше реальной температуры пайки, что обусловлено теплоемкостью элементов, участвующих в образовании паяного соединения (сам компонент и его выводы, ПП и элементы проводящего рисунка). Подбор температуры осуществляется в зависимости от применяемого припоя, типа и размера корпуса компонента, материала и топологии ПП.

Важными характеристиками паяльной станции являются:

быстрый нагрев жала до рабочей температуры;

точный контроль температуры жала с максимальной частотой (вследствие конструктивных особенностей сочленения нагревателя и жала, расположения термопар и других причин заданная температура жала может отличаться от реальной);

автоматическая калибровка станции при смене жала либо паяльника;

быстрая смена жал.

Такими возможностями обладают преимущественно цифровые паяльные станции, которые обеспечивают более точное задание, поддержание и управление температурой паяльника по сравнению с аналоговыми, а также позволяют подключать к станции несколько инструментов.

Для пайки обычно используются жидкий флюс и проволочный припой. Флюс наносится кистью в места пайки. Для пайки в труднодоступных местах, а также для ремонта, применяют трубчатые припои с несколькими каналами флюса внутри. Преимущественно применяются припои со слабоактивированными низкоканифольными флюсами (NC, No-clean - не требующими отмывки) либо среднеактивированные канифольные, для которых отмывка возможна, но не является обязательной при нормальных условиях эксплуатации изделия. Для пайки сильно окисленных поверхностей, а также поверхностей с плохой паяемостью, применяются активированные канифольные флюсы, требующие последующей отмывки в деионизованной воде или органическими растворителями на спиртовой основе. Припои используются как эвтектические (Sn-Pb, Sn-Pb-Ag), так и бессвинцовые (Sn-Cu, Sn-Ag-Cu); поставка осуществляется в катушках.

Типовая последовательность пайки установленных в отверстия компонентов следующая:

очистка жала паяльника (если необходимо), его облуживание;

установка температуры жала паяльника на станции;

выдержка, в процессе которой происходит нагрев жала паяльника до требуемой температуры;

приведение жала в контакт (одновременный) с КП и выводом ЭК для обеспечения их прогрева, небольшая выдержка (0,5 - 1 сек);

подача прутка припоя к паяному соединению с образованием связи между выводом и КП (не следует подавать припой непосредственно на жало паяльника во избежание преждевременного выгорания флюса);

охват припоем вывода по кругу на 360°;

одновременный отвод прутка припоя и жала паяльника (по направлению вверх вдоль вывода ЭК для образования галтели правильной формы).

Процесс пайки одного соединения должен быть по возможности кратковременным во избежание перегрева ЭК и отслаивания КП, его общее составляет от 0,5 до 2 секунд. При пайке необходимо следить за тем, чтобы паяльник даже на короткое время не прикасался к корпусу ЭК, и чтобы на него не попадали капли припоя и флюса. После работы жало паяльника необходимо облудить для увеличения срока его службы.

Существуют паяльники с одновременной подачей прутка припоя (пайка одной рукой, вторая может использоваться для удержания ЭК и/или ПП), а также станции автоматической непрерывной либо дискретной подачи припоя в точку пайки.

Для готового паяного соединения должны обеспечиваться требования по:

минимальному углу охвата вывода смачивающим его припоем со стороны пайки (270-330°);

минимальному проценту заполнения площади КП оплавленным припоем со стороны пайки (75%);

минимальному заполнению отверстия припоем по высоте (50-100% в зависимости от класса изделия).

Конец вывода должен быть различим в образованном паяном соединении (не должно присутствовать избыточного количества припоя). Поверхность галтелей припоя - вогнутая, непрерывная, гладкая, глянцевая, без темных пятен и посторонних включений. Припой не должен касаться корпуса ЭК. Между мениском, образованным покрытием корпуса на радиальных выводах компонента, и паяным соединением должен быть зазор (минимум 1,2 мм). Не допускается растекание припоя за пределы КП по проводнику.

Селективная пайка

Селективная пайка представляет собой процесс избирательной пайки отдельных ЭК на ПП с отсутствием воздействия на остальные установленные компоненты, и выполняется, как правило, миниволной припоя. Развиваются также системы селективной пайки лазером и горячим газом.

Процесс пайки миниволной припоя во многом схож с обычной пайкой волной, с тем существенным отличием, что происходит пайка не всей ПП, а только отдельных ЭК на ней. Конвейерная система и модуль предварительного нагрева аналогичен по конструкции применяемому в пайке волной припоя. Флюсователи применяются как распылительного, так и точечного типа с одной или несколькими форсунками. Флюс избирательно и точно наносится в точку пайки флюсующей головкой, перемещаемой сервоприводом. Применяются также модули флюсования окунанием со специальными адаптерами, когда необходимо осуществить флюсование отдельных областей ПП. Волна в ванне с припоем, которая также имеет сервопривод перемещения (в некоторых моделях оборудования перемещается ПП), создается сменными соплами-волнообразователями. Существуют также системы селективной пайки с несколькими волнообразователями, выполненными в виде сменной оснастки для конкретного изделия. Такие системы обладают большей производительностью, но значительно меньшей гибкостью. Пайка может производиться в инертной (азотной) среде, чем достигается отсутствие окисления миниволны припоя. Уровень миниволны измеряется бесконтактными способами.

Селективная пайка имеет ряд существенных достоинств по сравнению с ручной и волновой пайкой:

снижение расхода технологических материалов (флюс, припой, инертный газ) и электроэнергии;

сокращение времени производственного цикла и числа сотрудников на участке ручной пайки;

исключение необходимости отмывки;

возможность пайки разных ЭК на ПП различными припоями на одной установке за один цикл;

уход от человеческого фактора, повторяемость параметров процесса на всей партии.

Эти достоинства обуславливают все более частый отход производителей от пайки волной и ручной пайки, и применение ими пайки оплавлением для SMD-компонентов и селективной пайки для штырьковых ЭК.

Технологический процесс

Технологический процесс представляет собой сложный комплекс действий исполнителей и оборудования по преобразованию исходных материалов и комплектующих элементов в готовое изделие. Он состоит из комплекса частных технологических процессов изготовления входящих в них узлов, деталей и технологических процессов сборки, монтажа, регулировки и испытаний. Технологические процессы изготовления конкретной аппаратуры базируются на типовых технологических процессах.

К типовым технологическим процессам относятся:

1) входной контроль комплектующих;

2) технологическая тренировка комплектующих и узлов;

3) сборка;

4) электрический монтаж;

5) технический контроль монтажа и сборки;

6) защита изделия от влияния внешней среды;

7) технологическая тренировка изделия;

8) регулировка (настройка) изделия;

9) испытания изделия;

10) выходной контроль.

Таким образом, технологический процесс изготовления блока, субблока или функционального узла представляет собой, как правило, комплексный процесс, правильное построение которого возможно лишь на основе его предварительного проектирования, часто с применением математического моделирования.

Основными документами при разработке технологических процессов являются технологические карты. В картах указываются структура технологического процесса и его содержание, последовательность выполнения операций, режимы, применяемое оборудование, технологическая оснастка, порядок монтажа, методы регулировки, контроля и т.п.

Технологические процессы состоят из отдельных операций.

Операцией называется часть технологического процесса, выполняемая над определенной деталью (или над совокупностью нескольких деталей или сборочных единиц) одним рабочим (или отдельной группой рабочих) непрерывно и на одном рабочем месте. Операция технологического процесса - основная единица производственного планирования.

Как правило, технологический процесс делят на операции, а операции на переходы.

Заключение

В данной курсовой работе были рассмотрены существующие технологии поверхностного монтажа. Особое значение было уделено технологии монтажа в отверстия. Описаны различные способы установки компонентов и их пайки. Технология установки THT-компонентов относительно проста, хорошо отработана, допускает ручные и автоматизированные методы сборки, хорошо обеспечена сборочным оборудованием и технологическим оснащением.

Литература

1. Монтаж на поверхность: Технология. Контроль качества/ В.Н. Григорьев, А.А. Казаков, А.К. Джинчарадзе и др.; Под общей редакцией И.О. Шурчкова - М.: Издательство стандартов, 1991 - с. 184.

2. Технология изготовления печатных плат / http://en.radioland.net

3. Основы технологии поверхностного монтажа / Сускин В.В. - Рязань: Узорочье, 2001.

4. Технологии в электронной промышленности / главный редактор Павел Правосудов - ООО « Издательство Файнстрит», №1.2006 - с.92.

Подобные документы

Современное состояние техники поверхностного монтажа. Возможные варианты, технологические операции и среды сборки и монтажа ячеек ЭУ, порядок и правила их подготовки и проведения. Критерии выбора флюса, клея, припоя, очистителя, защитных покрытий.

курсовая работа , добавлен 26.01.2011


Разработка технологии сборки и монтажа формирователей усилителя низкой частоты. Анализ маршрутной технологии, обоснования технологического оборудования, выбора оптимального варианта технологического процесса. Проектирование участка сборки и монтажа.

курсовая работа , добавлен 19.06.2010


Технологический процесс (ТП) как основа производственного процесса. Разработка ТП сборки и монтажа формирователей усилителя низкой частоты. Анализ конструкции изделия. Проектирование участка сборки и монтажа, оснастка для сборочно-монтажных работ.

курсовая работа , добавлен 21.06.2010


Разработка комплекта технологической документации на изготовление стробоскопа: анализ технологичности конструкции изделия, составление технологической схемы сборки изделия. Проведение анализа вариантов маршрутной технологии сборки и монтажа детали.

курсовая работа , добавлен 14.10.2010


Описание электрических и эксплуатационных характеристик ваттметра, его устройства, назначения и принципа действия. Определение требований к типу и условиям производства прибора. Разработка конструктивной и технологической схем сборки и монтажа изделия.

курсовая работа , добавлен 10.01.2011


Введение эвтектического сплава в качестве припоя между соединяемыми поверхностями кристалла и корпуса. Эвтектические сплавы: золото-германий или золото-кремний. Монтаж с использованием клеев и компаундов при изготовлении полупроводниковых приборов.

реферат , добавлен 09.01.2009


Составление описания схемы электрической принципиальной. Характеристика требований к проектированию печатной платы, к формовке выводов, лужению и пайке. Определение электрических параметров печатных проводников, технологичности и надежности конструкции.

курсовая работа , добавлен 16.06.2011


Типы оборудования и компоновка аудиосистемы. Классификация оборудования и выбор схемы установки компонентов. Установка компонентов. Подключение и настройка усилителей. Установка музыкальных компонентов. Экономические затраты. Требования безопасности.

курсовая работа , добавлен 29.10.2008


Проведение испытания на способность к пайке. Испытание на теплостойкость при пайке. Испытание прочности выводов и их креплений. Испытание выводных концов на воздействие растягивающей силы. Испытание гибких проволочных выводов на скручивание и изгиб.

реферат , добавлен 25.01.2009


Разработка технологических процессов соответственно к единой системе подготовки производства измерителя p1э транзисторов. Анализ типа, условий и годовой программы выпуска. Маршрут конструкторской схемы сборки, выбор оборудования, оптимизация монтажа.

Во время выставки Computex Taipei 2009 нашему корреспонденту удалось побывать на фабрике Nan-Ping компании Gigabyte.

Компания Gigabyte, основанная в 1986 году на Тайване, является сегодня одной из самых крупных фирм по производству материнских плат, видеокарт, корпусов, блоков питания и прочих аксессуаров.

Gigabyte имеет четыре производственные фабрики, две из которых расположены в Китае, а две - на Тайване. В Китае находятся фабрики Ning-Bo и Dong-Guan, а на Тайване - Ping-Jen и Nan-Ping.

Фабрика Nan-Ping, о который мы расскажем более подробно, специализируется на выпуске материнских плат, видеокарт, мобильных телефонов, ноутбуков и нетбуков, а также блэйд-серверов и компьютеров. Однако основное производство на этой фабрике - это выпуск материнских плат и видеокарт.

Итак, начнем нашу виртуальную экскурсию на фабрику Gigabyte Nan-Ping.

Вход на фабрику Gigabyte Nan-Ping

На фабрике эксплуатируется 11 линий поверхностного монтажа (SMT), четыре линии DIP-монтажа, шесть тестовых и две упаковочные линии. Кроме того, имеются две конвейерные линии по сборке мобильных телефонов, одна линия по сборке серверов, одна линия по сборке ПК и две линии по сборке ноутбуков. Фабрика занимает площадь 45 тыс. м2, и на ней трудятся 1100 человек (в основном женщины).

При полной загрузке фабрика Nan-Ping может ежемесячно выпускать 250 тыс. материнских плат, 50 тыс. видеокарт, 5 тыс. серверов, 10 тыс. мобильных телефонов, 10 тыс. ноутбуков и 5 тыс. настольных ПК.

Похоже, на Тайване всерьез побаиваются свиного гриппа (ну невдомек им, что все это хорошо профинансированная утка): мало того что многие ходят в масках, так еще и температуру измеряют чуть ли не на каждом шагу. Вот и на фабрике Gigabyte Nan-Ping все сотрудники, приходящие на работу, обязаны проверить свою температуру. Благо, эта процедура длится не более секунды. Вход на фабрику охраняют миловидные китаянки в масках, которые с помощью миниатюрных тепловизоров мгновенно отсекают всех подозрительных личностей с повышенной температурой.

Все входящие на фабрику должны пройти
процедуру проверки температуры

Девушки в масках с помощью тепловизоров
отсеивают всех подозрительных личностей
с повышенной температурой

Процесс производства материнских плат

Все фабрики по производству материнских плат (независимо от производителя) выглядят примерно одинаково. Процесс производства материнской платы заключается в том, что на печатную плату PCB (Printed Circuit Board) «навешиваются» все необходимые электронные компоненты и разъемы, после чего она подвергается тщательному тестированию. Возможно, для кого-то это будет откровением, но сами многослойные печатные платы со всей системой разводки не являются продукцией заводов по производству материнских плат. В частности, компания Gigabyte вообще не имеет заводов по производству PCB и заказывает их у других компаний. Правда, у кого именно Gigabyte заказывает PCB, ее представители не сообщают, ограничиваясь фразой «мы заказываем PCB у самых лучших производителей».

Многослойные печатные платы, выполненные по дизайну Gigabyte, поступают на фабрику уже в готовом виде. Выпуском таких плат занимаются порядка десяти различных компаний.

Цикл производства материнских плат разбит на четыре больших этапа:

• поверхностный монтаж (Surface Mounting Technology, SMT);
• DIP-монтаж,
• тестирование;
• упаковка.

Каждый из этих этапов выполняется в отдельном цехе и даже на отдельном этаже.

Поверхностный монтаж

Производство материнских плат начинается с поверхностного монтажа (SMT). Чтобы попасть в цех SMT, необходимо пройти через специальную камеру очистки, где в буквальном смысле сдувается вся пыль с одежды.

Камера очистки перед входом в цех SMT

Технология поверхностного монтажа заключается в процессе распайки различных чипов и электронных компонентов на плате. Причем процесс этот полностью автоматизирован и выполняется конвейерным способом с помощью специальных автоматов.

Прежде всего печатные платы помещаются в специальный автоматический загрузчик (PCB Loader), который доставляет платы на ленту конвейера. На фабрике Gigabyte используется загрузчик Ascentex ABS-1000M.

Автоматический загрузчик
Ascentex ABS-1000M печатных плат на конвейер

Из загрузчика платы поступают в специальный автомат Dek ELA, называемый Printer, в котором на печатную плату по трафарету наносится специальная паяльная паста (флюс), напоминающая графитовую смазку.

Нанесение паяльной пасты по трафарету
на печатную плату

Автомат для нанесения паяльной пасты

Далее, двигаясь по конвейеру, платы поступают в автомат Middle Speed Mounter, выполняющий прецизионный поверхностный монтаж на плате крупных микросхем (чипов). Этот автомат размещает чипы в том месте, где предварительно была нанесена паяльная паста, и чипы как бы приклеиваются к этой вязкой пасте. Скорость работы автомата Middle Speed Mounter невысока - порядка двух микросхем в секунду. На фабрике Gigabyte используется автомат JUKI KE2010L.

Middle Speed Mounter JUKI KE2010L

После установки на плату микросхем в автомате Middle Speed Mounter материнские платы поступают в специальную печь (Reflow Oven Heller 1600 SX), где разогреваются (причем разогрев происходит по точно заданному шаблону во избежание перегрева отдельных участков), а установленные на плату элементы припаиваются.

Печь Reflow Oven Heller 1600SX

За монтажом крупных микросхем следует монтаж всех остальных мелких элементов. Этот этап подобен предыдущему: платы поступают в принтер, где по шаблону наносится флюс. После этого платы проходят через автоматы поверхностного монтажа и поступают в печь. Однако для размещения на плате мелких и средних электронных компонентов используются уже более скоростные автоматы поверхностного монтажа: High Speed Mounter и Multi-Function Mounter. Скорость работы автомата High Speed Mounter составляет несколько десятков элементов в секунду.

Автомат поверхностного монтажа
High Speed Mounter Fuji CP-743ME

Автомат поверхностного монтажа
Multi-Function Mounter FUJI QP 341E-MM

Автоматы поверхностного монтажа High Speed Mounter и Multi-Function Mounter набирают необходимые электронные компоненты со специальных лент.

Ленты с электронными компонентами, которые
заправляются в автоматы поверхностного монтажа

После этого платы с нанесенными на них электронными компонентами вновь поступают в печь (Reflow Oven), где все установленные элементы припаиваются.

Плата с распаянными электронными компонентами
на выходе из печи

Из печи платы поступают в автомат временного хранения (Unloader) Ascentex ATB-2000M.

На этом первичный этап поверхностного монтажа заканчивается, и платы подвергаются тщательному контролю, в процессе которого они проходят как визуальный осмотр (Visual Inspection, V.I.), так и электронное тестирование (In Circuit Test, ICT).

Сначала на специальном стенде Orbotech TRION-2340 платы подвергаются автоматическому визуальному контролю на предмет наличия всех необходимых компонентов.

После этого наступает черед визуального контроля платы. Для каждой модели плат предусмотрена специальная маска-шаблон, имеющая прорези в тех местах, где должны быть установлены элементы. Накладывая такую маску, контролер может легко обнаружить отсутствие того или иного элемента.

Затем плату кладут на особый стол и с помощью специального шаблона замыкают необходимые группы контактов. Если проходят не все сигналы, то на экране монитора индицируется ошибка и плата отправляется на доработку.

Стенд автоматического оптического
контроля Orbotech TRION-2340

С помощью специальной маски-шаблона платы
осматриваются на предмет наличия всех
необходимых элементов

Тестирование внутренних цепей платы

На этом этап поверхностного монтажа заканчивается, и платы отправляются в цех DIP-монтажа.

DIP-монтаж

Если в зале SMT-монтажа работает всего несколько человек, контролирующих работу автоматов, то в зале DIP-монтажа куда более многолюдно, поскольку этот процесс вообще не автоматизирован и подразумевает ручной монтаж необходимых элементов на плату. Во время DIP-монтажа на плату устанавливаются все те компоненты, которые запаиваются с обратной стороны платы, то есть элементы, для пайки которых в плате предусмотрены отверстия.

За конвейером работают только женщины, а руководят ими исключительно мужчины. Это вам не Америка с ее эмансипацией. Все так, как и должно быть: женщины работают, мужчины руководят. Причем, что характерно, за конвейером в основном сидят не коренные жители Тайваня, а филлипинцы или выходцы из Центрального Китая. Короче, гастарбайтеры. Что ж, все правильно, это обходится компании гораздо дешевле.

На конвейере используется исключительно женский труд

Процесс DIP-монтажа заключается в следующем. Материнские платы загружаются на конвейер и медленно движутся по нему, а каждый оператор устанавливает на плате один или несколько элементов.

Каждый оператор устанавливает на плату
один или несколько элементов

После того как все необходимые компоненты установлены в свои гнезда, платы направляются в специальную волновую печь.

Там плата разогревается и нижней частью проезжает по тонкой волне расплавленного олова. Все металлические части запаиваются, а к PCB олово не пристает, поэтому остальная часть платы остается чистой. При выходе из печи платы охлаждаются с помощью системы вентиляторов.

Платы со всеми установленными компонентами
направляются в волновую печь

Процесс DIP-монтажа заканчивается удалением остатков олова с обратной стороны платы. Причем эта операция осуществляется вручную с помощью самых обычных паяльников.

С помощью самых обычных паяльников устраняются
все излишки олова

На заключительном этапе на плату устанавливают
крепежную раму для процессора

Этап тестирования платы

На этом этапе производство материнской платы заканчивается и начинается процедура проверки ее работоспособности. Для этого на специальном стенде на плату устанавливают процессор, память, видеокарту, оптический привод, жесткий диск, а также подключают прочие компоненты.

После DIP-монтажа платы проходят проверку

Электронные компоненты на печатную плату фиксируются в металлизированные сквозные отверстия, непосредственно на ее поверхность или путем комбинирования этих способов. Цена монтажа ДИП выше, чем СМД. И хотя поверхностное крепление элементов микросхемы применяется все чаще, пайка в отверстия не теряет своей актуальности при изготовлении сложных и функциональных плат.

Монтаж ДИП, обычно, осуществляется в ручном режиме. При серийном производстве микросхем нередко применяются установки автоматического волнового припоя или селективной пайки. Фиксация элементов в сквозные отверстия осуществляется следующим образом:

• изготавливается пластина из диэлектрика;
• высверливаются отверстия для выводного монтажа;
• на плату наносятся электропроводящие цепи;
• металлизируются сквозные отверстия;
• на обрабатываемые участки наносится паяльная паста для поверхностной фиксации элементов;
• устанавливаются СМД-компоненты;
• созданная плата паяется в печи;
• осуществляется навесной монтаж радиодеталей;
• готовая плата промывается и сушится;
• на печатную плату, при необходимости, наносится защитное покрытие.

Металлизация сквозных отверстий иногда осуществляется путем механического давления, чаще - химического воздействия. DIP-монтаж осуществляется только после того, как завершен поверхностный и все СМД-элементы надежно припаяны в печи.

Особенности выводного монтажа

Толщина выводов монтируемых элементов - один из основных параметров, который следует учитывать, разрабатывая печатные платы. На качество работы компонентов влияет зазор между их выводами и стенками сквозных отверстий. Он должен быть достаточно большим для обеспечения эффекта капиллярности, втягивания флюса, припоя и выхода паяльных газов.

TNT-технология являлась основным методом фиксации элементов на печатных платах до того, как началось широкое распространение SMD. Сквозной монтаж печатных плат ассоциируется с надежностью и долговечностью. Поэтому крепление электронных компонентов выводным способом используется при создании:

• блоков питания;
• силовых устройств;
• высоковольтных схем дисплеев;
• систем автоматизации АЭС и др.

Сквозной метод крепления элементов на плату имеет хорошо проработанную информационную и технологическую базу. Существуют различные автоматические установки для припоя выводных контактов. Наиболее функциональные из них дополнительно оснащаются гриммерами, обеспечивающими захват компонентов для монтажа в отверстия.

Способы пайки TNT:

• фиксация в отверстия без зазора между компонентом и платой;
• крепление элементов с наличием зазора (поднятие компонента на определенную высоту);
• вертикальная фиксация компонентов.

Для монтажа вплотную применяется П-образная или прямая формовка. При фиксации с созданием зазоров и вертикальном креплении элементов используется формовка ЗИГ (или ЗИГ-замок). Пайка навесным монтажом является более затратной по причине своей трудоемкости (ручная работа) и меньшей автоматизации технологического процесса.

Выводной монтаж печатных плат: преимущества и недостатки

Стремительная популяризация поверхностного монтажа компонентов на печатную плату и постепенное вытеснение технологии сквозного монтажа обусловлено рядом важных достоинств SMD-метода над DIP. Однако выводной монтаж имеет ряд неоспоримых преимуществ над поверхностным:

• развитая теоретическая база (30 лет назад выводной монтаж был основным методом пайки печатных плат);
• наличие специальных установок для автоматизированной пайки;
• меньший процент брака при ДИП-пайке (в сравнении с СМД), так как изделие не подвергается нагреву в печи, что предотвращает риск повреждения элементов.

Наряду с представленными достоинствами можно выделить ряд недостатков выводного монтажа компонентов перед поверхностным:

• увеличенные размеры контактов;
• при штыревом монтаже требуется обрезка выводов до пайки или по ее завершению;
• габариты и вес компонентов довольно большие;
• для всех выводов требуется сверление отверстий или их создание лазером, а также металлизация и разогрев припоя;
• монтаж в ручном режиме требует больше времени и трудозатрат.

Также следует учитывать, что повышается себестоимость изготовления печатной платы. Это обусловлено, во-первых, преимущественным применением ручного труда высококвалифицированных инженеров. Во-вторых, DIP-монтаж печатных плат хуже поддается автоматизации, чем SMD, и требует больших затрат времени. В-третьих, для фиксации выводных элементов требуется создание отверстий оптимальной толщины для каждого контакта, а также их металлизация. В-четвертых, после пайки (или до нее) необходимо обрезать выводы компонентов.