Схема. Поверхностный монтаж

Схема Поверхностный монтаж 1
Поверхностный монтаж — это технология изготовления электронных изделий на печатных платах, а также связанные с данной технологией методы конструирования печатных узлов. Технологию поверхностного монтажа печатных плат также называют ТМП (технология монтажа на поверхность), SMT (surface mount technology) и SMD (от surface mounted device — прибор, монтируемый на поверхность), а компоненты для поверхностного монтажа (smd-компоненты) еще называют чип-компонентами (рис.1).
Схема Поверхностный монтаж 2
Предпосылками к появлению технологии поверхностного монтажа явились растущие требования к микроминиатюризации и технологичности печатных узлов при автоматизированной сборке. Монтаж микросхем на поверхностные контактные площадки без отверстий (пленарный монтаж) начал успешно применяться в специальной технике. Корпуса микросхем для планарного монтажа (рис.2) имели тонкие плоские выводы по двум или четырем сторонам. Обрезка и формовка выводов осуществлялась перед установкой, после чего микросхема фиксировалась (на клей или «прихватывалась» пайкой) и припаивалась специальными роликовыми или гребенчатыми паяльниками либо на установке «пайки волной». С другой стороны, еще до появления поверхностного монтажа существовала и технология гибридных модулей, в которых применялись компоненты с укороченными выводами или вообще без выводов, устанавливаемые на керамические подложки (рис.3).
Схема Поверхностный монтаж 3
Технология поверхностного монтажа объединила в себе преимущества данных технологий, позволив существенно уменьшить массу и габариты печатных узлов, улучшить электрические характеристики и повысить технологичность сборки устройств на печатных платах. Данная технология является наиболее распространенным на сегодняшний день методом конструирования и сборки электронных узлов на печатных платах. Основным ее отличием от «традиционной» технологии сквозного монтажа в отверстия является то, что миниатюрные компоненты монтируются на контактные площадки на поверхности печатной платы. Типовая последовательность операций в технологии поверхностного монтажа включает:
— нанесение паяльной пасты на контактные площадки;
— установку компонентов;
— групповую пайку методом оплавления пасты в печи (в единичном производстве и при ремонте изделий применяется индивидуальная пайка паяльником, струей нагретого воздуха или азота);
— промывание платы (в зависимости от активности флюса);
— нанесение защитных покрытий.
Схема Поверхностный монтаж 4
Одним из важнейших технологических материалов, применяемых при поверхностном монтаже, является паяльная паста (иногда ее называют припойной пастой). Она содержит три основных составляющих: припой, флюс (активатор) и органические наполнители.
Припой в паяльной пасте содержится в виде частиц, имеющих обычно форму шариков. Размер шариков составляет несколько десятков микрон (типичное значение — 20.. .25 мкм). Форма шариков оказывается наиболее оптимальной с точки зрения нанесения пасты, поскольку они легко проходят через отверстия дозаторов и приводят к минимальному износу оснастки. Состав припойного сплава в пастах такой же, как и при других методах пайки. Обычно это сплав олово-свинец либо SAC-сплав (Sn-Ag-Cu) при применении бессвинцовой технологии. Широкое распространение получили сплавы олово-свинец с добавлением 2% серебра, обеспечивающие снижение миграции серебра с покрытия контактных поверхностей компонентов в материал припоя. Также применяются и другие сплавы, с содержанием висмута, индия, золота и других материалов. Содержание припойной фракции в пасте обычно составляет порядка 50% по объему и 90…95% по массе.

Флюсы служат для подготовки поверхности перед пайкой. Их наличие в паяльной пасте является преимуществом метода оплавления, поскольку позволяет отказаться от отдельной операции нанесения флюса. Флюсы различаются по активности и методу удаления остатков. Активные флюсы применяются при пайке компонентов и плат с плохой паяемостью либо когда качество подготовки поверхностей критично по другим причинам. В бессвинцовой технологии из-за худшего смачивания поверхностей припоем применяются более активные флюсы, чем при использовании оловянно-свинцовых припоев. Недостатком активных флюсов является необходимость их тщательного удаления после пайки. Остатки активных флюсов могут приводить к коррозии проводников платы в процессе эксплуатации, а также при повышенной влажности вызывать образование электролитов на поверхности плат, приводящих к гальваническим эффектам.
Схема Поверхностный монтаж 5
По методу удаления остатков большинство флюсов делится на безотмывные, водосмываемые и смываемые растворителями. Если флюс не требует отмывки, это не означает, что его остатков на плате после пайки нет. Просто остатки таких флюсов не влияют на внешний вид изделия и не приводят к выходу изделия из строя при нормальных условиях эксплуатации. Эти флюсы применяются в бытовой и лабораторной аппаратуре и имеют низкую активность. В аппаратуре, эксплуатируемой при воздействии повышенной влажности и в широком диапазоне температур, применение таких флюсов нежелательно (их остатки в этих случаях нужно удалять, и при том растворителями).

Остатки водорастворимых флюсов, которые все-таки могут быть активными в «ненормальных» условиях, удаляются горячей деионизованной водой. Иногда в состав паст с водосмываемыми флюсами вводятся поверхностно-активные вещества (ПАВ), улучшающие процесс отмывки. Флюсы, требующие отмывки, должны удаляться в течение определенного времени после пайки (обычно в течение 8 ч). Ввиду широкой распространенности и технологичности водосмываемых флюсов, флюсы, смываемые растворителями, практически не применяются.

Прочие органические наполнители вводятся в состав паяльных паст для регулирования их свойств (холодной и горячей осадки, клейкости и др.). Клеящие свойства паст необходимы для первичной фиксации компонентов. Нанесенная на плату паста сохраняет клейкость ограниченное время, обычно около 8 ч. Но при этом следует учитывать, что из-за клейкости паста достаточно активно собирает пыль.
Схема Поверхностный монтаж 6
Пайка SMD.
Процесс плавления припоя, содержащегося в паяльной пасте, выполняется путем нагрева печатной платы с компонентами. Нагрев может осуществляться различными способами: инфракрасным (ИК), конвекционным и нагревом в паровой фазе.

Инфракрасный нагрев осуществляется ИК-лампами. Основным недостатком ИК-метода является зависимость температуры от степени черноты нагреваемой поверхности, так что корпуса компонентов часто нагреваются до более высоких температур, чем паста. Конвективная пайка осуществляется в печах с помощью потоков горячего воздуха или азота. Азот позволяет получать более качественные паяные соединения. Пайка в паровой фазе производится путем передачи тепла от испаренного теплоносителя. Данный метод является самым безопасным для изделия, но и самым дорогим.
Схема Поверхностный монтаж 7
При пайке оплавлением изменение температуры производится по заданному закону, называемому температурным профилем пайки (рис.4а). Типичный профиль состоит из постепенного нагрева с заданной скоростью до температуры предварительного нагрева(первый фронт), выдержки (первая ступень), нагрева до пиковой температуры, превышающей температуру плавления припоя (второй фронт), небольшой выдержки (вторая ступень) и охлаждения с заданной скоростью. Фронты температурного профиля должны иметь определенный наклон для снижения теплового удара. Если нагрев оказывается слишком быстрым, это может привести к повреждению платы или компонентов, если слишком медленным, то необоснованно удлиняется время пайки. Типичные значения скорости нагрева лежат в пределах от 2 до 3°С/с.

Первая ступень необходима для прогрева платы и компонентов, удаления из них влаги, активации флюса и частичного удаления органических наполнителей, содержащихся в паяльной пасте (высушивание пасты). Температура ступени зависит, в основном, от типа пасты и лежит в пределах 100…150°С для паст на основе оловянно-свинцового припоя и 150… 175°С для бессвинцовых паст.
Схема Поверхностный монтаж 8
Вторая ступень представляет собой собственно пайку. В этой части профиля осуществляется испарение большей части органических составляющих, включая флюс, и оплавление припойных шариков. Пиковая температура и время выдержки при температуре выше точки плавления припоя зависят от многих факторов и выбираются для каждого изделия индивидуально. Разность между максимальной и минимальной допустимыми пиковыми температурами называется «окном процесса». Для бессвинцовых сплавов из-за более высокой температуры плавления «окно процесса» уже, чем для оловянно-свинцовых, и требует большей точности контроля.

Реальный профиль оказывается сглаженным за счет теплоемкости платы и компонентов (рис.4б). Профиль также зависит от точки на плате, поскольку разные области печатного узла обладают различной теплоемкостью.
Достижение профиля осуществляется одним из двух способов: либо плата помещается в печь, температура в которой изменяется по заданному закону, либо плата продвигается на конвейере через несколько камер (зон) печи с постоянными температурами (конвейерные печи). Конвейерные печи более дорогие, но позволяют обеспечить лучшую стабильность процесса и высокую производительность.
Схема Поверхностный монтаж 9
Ручная пайка чип-элементов
Если разглядывать маленькие ножки микросхем, сразу возникает мысль о том, какое тонкое жало нужно взять, чтобы паять эти мелкие ножки и не насажать «соплей» между ними. Допустим, в магазине находим конусное тонкое жало, цепляем его на паяльник, набираем маленькую капельку припоя и пытаемся иголкой-жалом пропаять каждую ножку отдельно. Получается долго, утомительно и неаккуратно. Для SMD-компонентов такой подход неверен! Паять их помогают поверхностное натяжение, силы смачивания, капиллярный эффект, и не использовать их—значит, сильно усложнять свою жизнь.

Когда жало паяльника приложено к выводу, и припой расплавился, начинает действовать сила смачивания: припой под действием этой силы «обтекает» вывод со всех сторон. Под вывод припой затягивается капиллярным эффектом, смачивает контактную площадку на плате и заливает ее вместе с выводом. Когда жало паяльника убрано, но припой еще жидкий, сила поверхностного натяжения формирует из припоя каплю, не давая ему растекаться и сливаться с соседними выводами. Но все эти процессы происходят сами собой, а от «паяльщика» требуется лишь поднести жало паяльника к выводу (или сразу к нескольким).

Конечно, главным инструментом является паяльник. Очень хорошо, если имеется регулировка температуры (рис.5) — можно не боятся перегреть компоненты. Оптимальная температура для пайки чип-деталей находится в пределах 250…300°С. При отсутствии паяльника с регулировкой температуры лучше использовать низковольтный паяльник (12- или 36-вольтовый мощность 20…30 Вт), так как он имеет меньшую температуру жала. Самый худший результат дает обычный паяльник на 220 В. Температура жала у него слишком высока, из-за чего флюс быстро испаряется, и ухудшается смачиваемость поверхности пайки. Большая температура не позволяет длительно греть вывод, и пайка превращается в «нервное тыканье» жалом в плату. Для регулировки нагрева такого паяльника можно включить его через диммер (регулятор яркости светильников) подходящей мощности.

Жало паяльника должно иметь ровный рабочий срез. Это может быть классический «топорик», в виде «отвертки» или срез под 45°. Жало- конус плохо подходит для пайки SMD-компонентов. Очень хорошие результаты дает жало типа «микроволна» с отверстием в рабочей плоскости (рис.6). За счет капиллярного эффекта, создаваемого в нем, припой можно не только наносить, но и эффективно убирать излишки.
Из инструментов (рис.7) еще нужен пинцет, желательно с тонкими, слегка изогнутыми «губками», шило для «прочистки» платы, 3- или 5-кратная лупа для контроля паек, кусачки-бокорезы, шприц для нанесения жидкого флюса.

Чтобы добиться хорошей пайки, нужны определенные материалы. Основным материалом, обеспечивающим комфортную пайку, является жидкий флюс. Он обезжиривает и снимает окислы с поверхности припаиваемого вывода и площадки платы, увеличивая смачивание. Кроме того, во флюсе припою легче образовать каплю, что препятствует созданию замыкающих перемычек («соплей»). Лучше применять именно специальный жидкий флюс — канифоль или вазелин-флюс не дают такого эффекта. Можно, конечно, попробовать паять и спирто-канифольным флюсом, но с ним, как показывает опыт, паять труднее, и после удаления застывшей канифоли спиртом остается белый налет, который трудно убрать. Разнообразные виды жидкого флюса теперь не редкость в магазинах, например, «F5» — флюс для пайки тонкой электроники. На вид это прозрачная жидкость с резким запахом, напоминающим ацетон.
Схема Поверхностный монтаж 10
Припой не требуется какой-то уж «супер», подойдет обычный ПОС-61. Очень удобен припой в виде тонких проволочек (диаметром 0,5.. .0,7 мм) — легко дозировать. Хотя в промышленных масштабах осуществляется массовый переход на бессвинцовые припои по причине вредности свинца, ручная пайка такими припоями затруднена (без свинца значительно уменьшается сила поверхностного натяжения).

Сама пайка 2-выводных деталей выполняется так. Облуживаем одну контактную площадку: быстрым движением наносим капельку припоя, взяв ее с «проволочки» припоя (рис.8а). Кладем на контактные площадки SMD-компонент (например, резистор) и обильно смачиваем его жидким флюсом. Придерживая деталь пинцетом или иголкой (рис.8б), прикладываем жало паяльника к торцу детали и контактной площадке. Припой с жала перетекает на контакт компонента и контактную площадку платы. Убираем паяльник, и деталь с одной стороны припаяна. С другой стороны припаиваем аналогично (проволочку припоя можно прямо поднести к выводу — рис.8в).

Микросхемы (многовыводные элементы) паяются последовательно. Позиционируем микросхему, чтобы выводы попали на свои контактные площадки (рис.9а), обильно смачиваем места пайки флюсом. Припаиваем одну крайнюю ножку (рис.9б), окончательно совмещаем выводы с площадками (припаянная ножка позволяет в определенных пределах «вертеть» корпус микросхемы) и припаиваем еще один крайний вывод (рис.9в). После этого микросхема надежно закреплена, и можно спокойно пропаивать остальные ножки. Паяем не спеша, проводя жалом по всем выводам микросхемы (рис.9г). Если образовались перемычки, нужно очистить жало от избытка припоя, обильно смазать перемычки жидким флюсом и повторно пройтись по ножкам. Лишний припой заберется жалом.

Но бывают случаи, когда несколько выводов микросхемы оказываются залитыми одной каплей припоя, и устранить этот «залип» паяльником не удается. Тут на помощь придет кусочек оплетки от экранированного кабеля. Оплетку пропитываем флюсом, прикладываем к перемычке и нагреваем паяльником (рис.9д). Оплетка как губка впитывает в себя лишний припой и освобождает выводы микросхемы от замыкания.
Радиолюбителям часто приходится не только припаивать SMD-компоненты, но и выпаивать их. Двухвыводный компонент можно выпаять, воспользовавшись сразу двумя паяльниками. Но при этом методе велика вероятность перегрева детали. Гораздо лучший результат дает применение паяльника со специальным жалом. Берем паяльник на 40 Вт с диаметром жала 6 мм, загибаем конец жала под углом 45° и молотком расплющиваем загнутую часть до плоскости толщиной примерно 3 мм. Затем надфилем делаем пропил 1 и ножовкой пропил 2 (рис.10).

Работать таким паяльником нужно совместно с пинцетом, губки которого свободно проходят в пропил 2. Отпаиваемый компонент за счет поверхностного натяжения припоя застревает в пропиле 1, и его сразу вынимаем пинцетом. При демонтаже плат сначала снимаем все компоненты одного типоразмера, затем, сжимая щель 2 пассатижами или расширяя ее отверткой, устанавливаем новую ширину пропила 1 и снимаем с платы компоненты другого типоразмера и т. д. При этом порчи деталей практически нет.

Для выпайки микросхем в SMD-корпусах существует несколько способов. Первый способ заключается в отрезании острым ножом выводов микросхемы от ее корпуса с последующей отпайкой их паяльником. При втором способе к плате припаивают тонкий провод во фторопластовой изоляции (МГТФ-0,13) или эмалированный обмоточный провод (ПЭВ-2) сбоку от микросхемы. Второй конец провода пропускают под выводами микросхемы и натягивают его рукой. Нагревая выводы микросхемы жалом 65-ваттного паяльника, протаскивают провод под выводами микросхемы, тем самым отделяя выводы от платы. Как показала практика, первый способ дает отрывы контактных площадок для большинства SMD-корпусов, а второй способ дает хорошие результаты только для корпусов SOIC. При корпусах TSOP и QFP контактные площадки все-таки отрываются.
Схема Поверхностный монтаж 11
Третий способ выпайки микросхем подходит для любых корпусов. Суть метода — следующая. Выводы микросхемы отпаиваем по одному. Берем швейную иглу среднего размера. От любого подходящего провода отрезаем кольцо изоляции длиной около 2 мм, и это кольцо (будет служить опорой) натягиваем на иглу на расстояние 1…2 см от острия. Подсовываем иглу под первый вывод (под один!), сверху нагреваем его миниатюрным паяльником с диаметром жала 2…2,5 мм и, поворачивая иглу на опоре, проводим острием иглы под выводом микросхемы параллельно плате (не поднимая острия). Паяльник должен сверху прогревать вывод все время поворота. Таким образом отделяем первый вывод микросхемы от платы и загибаем его вертикально вверх, освобождая доступ к второму выводу. Так постепенно отпаиваем все выводы микросхемы.

Если корпус микросхемы приклеен к плате, нагреваем корпус паяльником, одновременно поворачивая его пинцетом, пока краска не будет сорвана. Тянуть пинцетом корпус от платы не следует, так как это может привести к отрыву печатных дорожек под корпусом микросхемы. Чем толще отпаиваемые выводы, тем крупнее берем иглу. Обычно после отпайки нескольких выводов игла залуживается, чего нельзя допускать. Можно очистить залудившуюся иглу ножом, можно заворонить острие иглы, а можно заготовить сразу несколько игл.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *