Technologie pro povrchovou montáž - Surface-mount technology

Součásti pro povrchovou montáž na desce s obvody USB flash disku . Malé obdélníkové čipy s čísly jsou rezistory, zatímco neoznačené malé obdélníkové čipy jsou kondenzátory. Na obrázku jsou kondenzátory a odpory velikosti balení 0603 (1608 metrických) spolu s velmi nepatrně větším feritovým korálkem 0805 (metrický) .
Kondenzátor pro povrchovou montáž
MOSFET tranzistor , které na britský poštovní známka pro srovnání velikosti.

Technologie povrchové montáže ( SMT ) je metoda, při níž jsou elektrické součásti montovány přímo na povrch desky s plošnými spoji (PCB). Elektrická součást namontovaná tímto způsobem je označována jako zařízení pro povrchovou montáž ( SMD ). V průmyslu tento přístup do značné míry nahradil způsob konstrukce průchozích technologií montáže součástí, z velké části proto, že SMT umožňuje zvýšenou automatizaci výroby, která snižuje náklady a zlepšuje kvalitu. Umožňuje také, aby se na danou oblast podkladu vešlo více komponent. Obě technologie lze použít na stejné desce, přičemž technologie průchozích otvorů se často používá pro součásti, které nejsou vhodné pro povrchovou montáž, jako jsou velké transformátory a tepelně potopené výkonové polovodiče.

Součást SMT je obvykle menší než protějšek skrz otvor, protože má buď menší svody, nebo vůbec žádné svody. Může mít krátké kolíky nebo vývody různých stylů, ploché kontakty, matici pájecích kuliček ( BGA ) nebo zakončení na těle součásti.

Dějiny

Povrchová montáž se původně nazývala „planární montáž“.

Technologie pro povrchovou montáž byla vyvinuta v 60. letech minulého století. V roce 1986 představovaly povrchově montované součásti nejvýše 10% trhu, ale rychle si získaly popularitu. Do konce devadesátých let dominovala drtivá většina high-tech sestav elektronických tištěných obvodů zařízení pro povrchovou montáž. Velkou část průkopnické práce v této technologii provedla společnost IBM . Konstrukční přístup, který poprvé prokázala společnost IBM v roce 1960 v malém počítači, byl později aplikován v digitálním počítači Launch Vehicle používaném v přístrojové jednotce, který vedl všechna vozidla Saturn IB a Saturn V. Komponenty byly mechanicky přepracovány tak, aby měly malé kovové jazýčky nebo koncové krytky, které bylo možné přímo připájet k povrchu desky plošných spojů. Komponenty se staly mnohem menšími a umístění součástí na obou stranách desky se stalo mnohem běžnější při povrchové montáži než při montáži skrz průchozí otvor, což umožňovalo mnohem vyšší hustotu obvodů a menší desky plošných spojů a následně stroje nebo podsestavy obsahující desky.

Povrchové napětí pájky často stačí k tomu, aby součásti přidrželo k desce; ve vzácných případech mohou být části na spodní nebo „druhé“ straně desky zajištěny bodem lepidla, aby součásti nespadly dovnitř přetavovacích pecí, pokud je část nad hranicí 30 g na čtvereční palec plochy podložky. Lepidlo se někdy používá k přidržení součástek SMT na spodní straně desky, pokud se k pájení součástek SMT a průchozích otvorů používá současně proces pájení vlnou . Alternativně lze součásti SMT a průchozí otvory pájet na stejnou stranu desky bez lepidla, pokud jsou části SMT nejprve pájeny přetavením, poté se použije selektivní maska pájky, která zabrání přetavení pájky, která tyto části drží na místě, a části plovoucí během pájení vlnou. Povrchová montáž se dobře hodí k vysokému stupni automatizace, což snižuje náklady na pracovní sílu a výrazně zvyšuje rychlost výroby.

Naopak SMT se nehodí k ruční výrobě nebo výrobě s nízkou automatizací, což je pro jednorázové prototypování a malosériovou výrobu ekonomičtější a rychlejší, a to je jeden z důvodů, proč se stále vyrábí mnoho komponent s průchozími otvory. Některé SMD lze pájet pomocí teplotně ovládané ruční páječky, ale bohužel ty, které jsou velmi malé nebo mají příliš jemnou rozteč vývodů, nelze ručně pájet bez nákladného zařízení pro přetavování pájky horkým vzduchem. SMD mohou mít jednu čtvrtinu až jednu desetinu velikosti a hmotnosti a jednu polovinu až jednu čtvrtinu nákladů na ekvivalentní díly s průchozími otvory, ale na druhé straně náklady na určitou část SMT a ekvivalentní -dírová část může být docela podobná, i když jen zřídka je část SMT dražší.

Běžné zkratky

Různé termíny popisují součásti, techniku ​​a stroje používané ve výrobě. Tyto podmínky jsou uvedeny v následující tabulce:

SMp termín Rozšířená forma
SMD Zařízení pro povrchovou montáž (aktivní, pasivní a elektromechanické součásti)
SMT Technologie povrchové montáže (technologie montáže a montáže)
SMA Sestava pro povrchovou montáž (modul sestavený pomocí SMT)
SMC Součásti pro povrchovou montáž (součásti pro SMT)
SMP Balíčky pro povrchovou montáž (SMD případy)
MSP Zařízení pro povrchovou montáž (montážní stroje SMT)

Techniky montáže

Montážní linka se stroji typu pick-and-place

Tam, kde mají být umístěny součásti, má deska tištěných spojů obvykle ploché, obvykle cínové , stříbrné nebo pozlacené měděné podložky bez otvorů, nazývané pájecí podložky . Pájecí pasta , lepivá směs tavidla a drobných částic pájky, se nejprve nanese na všechny pájecí podložky šablonou z nerezové oceli nebo niklu pomocí sítotisku . Lze jej také aplikovat pomocí tryskového mechanismu, podobně jako u inkoustové tiskárny . Po nalepení postupují desky ke strojům na vychystávání , kde jsou umístěny na dopravní pás. Součásti, které mají být umístěny na desky, jsou obvykle dodávány na výrobní linku buď v papírových/plastových páskách navinutých na cívkách, nebo v plastových trubičkách. Některé velké integrované obvody jsou dodávány ve vaničkách bez statické elektřiny. Číslicově řízené automaty typu pick-and-place odebírají součásti z pásek, trubek nebo zásobníků a umísťují je na desku plošných spojů.

Desky se poté dopravují do pece pro zpětné pájení . Nejprve se dostanou do předehřívací zóny, kde se teplota desky a všech komponent postupně, rovnoměrně zvyšuje, aby se zabránilo tepelnému šoku. Desky poté vstoupí do zóny, kde je teplota dostatečně vysoká na roztavení částic pájky v pájecí pastě, přičemž lepení součásti vede k polštářkům na desce s obvody. Povrchové napětí roztavené pájky pomáhá udržovat součásti na místě a pokud jsou geometrie pájecích podložek správně navrženy, povrchové napětí automaticky zarovná součásti na jejich polštářcích.

Existuje řada technik pro přetavení pájky. Jedním z nich je použití infračervených lamp; tomu se říká infračervené přetavení. Další možností je použití horké plynové konvekce . Další technologií, která se stává znovu populární, jsou speciální fluorokarbonové kapaliny s vysokými body varu, které používají metodu nazývanou přetavování v plynné fázi. Kvůli obavám o životní prostředí tato metoda upadala v nemilost, dokud nebyla zavedena bezolovnatá legislativa, která vyžaduje přísnější kontroly pájení. Na konci roku 2008 bylo konvekční pájení nejpopulárnější přetavovací technologií využívající buď standardní vzduch, nebo dusík. Každá metoda má své výhody a nevýhody. Při infračerveném přetavení musí návrhář desek rozložit desku tak, aby krátké součásti nespadaly do stínu vysokých komponent. Umístění součástí je méně omezeno, pokud projektant ví, že při výrobě bude použito přetavení v páře nebo konvekční pájení. Po pájení přetavením mohou být určité nepravidelné nebo na teplo citlivé součásti instalovány a pájeny ručně nebo ve velké automatizaci zaostřeným infračerveným paprskem (FIB) nebo lokalizovaným konvekčním zařízením.

Pokud je deska s obvody oboustranná, lze tento proces tisku, rozmístění a přetavení opakovat buď pomocí pájecí pasty, nebo lepidla, aby součásti držely na svém místě. Pokud se používá proces pájení vlnou , pak musí být součásti před zpracováním přilepeny k desce, aby se zabránilo roztavení při roztavení pájecí pasty, která je drží na místě.

Po pájení lze desky umýt, aby se odstranily zbytky tavidla a všechny zbloudilé kuličky pájky, které by mohly zkratovat těsně rozmístěné vývody součástek. Kalafuna tavidla se odstraní fluorovaných rozpouštědel, s vysokým bodem vzplanutí uhlovodíkových rozpouštědel nebo zkým rozpouštědlech např limonen (odvozených z pomerančových slupek), které vyžadují další máchání nebo sušicích cyklů. Tavidla rozpustná ve vodě se odstraní deionizovanou vodou a saponátem a následně se odstřikem vzduchu rychle odstraní zbytková voda. Většina elektronických sestav je však vyrobena postupem „No-Clean“, kde jsou zbytky tavidla navrženy tak, aby byly ponechány na desce s obvody, protože jsou považovány za neškodné. To šetří náklady na čištění, zrychluje výrobní proces a snižuje plýtvání. Obecně se však doporučuje promytí sestavy, i když se používá proces „No-Clean“, kdy aplikace používá velmi vysokofrekvenční hodinové signály (přesahující 1 GHz). Dalším důvodem k odstranění nečištěných zbytků je zlepšení přilnavosti konformních nátěrů a podplněných materiálů. Bez ohledu na čištění nebo ne PCB, současný průmyslový trend navrhuje pečlivě přezkoumat proces montáže PCB, kde je aplikován „No-Clean“, protože zbytky tavidla zachycené pod součástmi a RF štíty mohou ovlivnit povrchový izolační odpor (SIR), zejména u vysokých komponent hustotní desky.

Některé výrobní standardy, jako například standardy IPC - Association Connecting Electronics Industries, vyžadují čištění bez ohledu na typ pájecího tavidla, který je použit k zajištění důkladného vyčištění desky. Správným čištěním odstraníte všechny stopy tavidla, špíny a dalších nečistot, které mohou být pouhým okem neviditelné. No-Clean nebo jiné procesy pájení mohou zanechat „bílé zbytky“, které jsou podle IPC přijatelné „za předpokladu, že tyto zbytky byly kvalifikovány a dokumentovány jako benigní“. Přestože se od obchodů, které vyhovují standardu IPC, očekává, že budou dodržovat pravidla asociace týkající se podmínek na palubě, ne všechna výrobní zařízení standard IPC používají, a ani to nemusí. Navíc v některých aplikacích, jako je elektronika nižší třídy, jsou takové přísné výrobní metody nadměrné z hlediska nákladů i času.

Nakonec jsou desky vizuálně zkontrolovány na chybějící nebo nesouosé součásti a přemostění pájky. V případě potřeby jsou odesláni na přepracovávací stanici, kde lidský operátor opraví všechny chyby. Poté jsou obvykle odeslány na testovací stanice (testování v obvodu a/nebo funkční testování), aby se ověřilo, že fungují správně.

Při výrobě desek plošných spojů se běžně používají systémy automatizované optické kontroly (AOI). Tato technologie se ukázala jako vysoce účinná pro zlepšování procesů a dosahování kvality.

Výhody

Hlavní výhody SMT oproti starší technice průchozích otvorů jsou:

  • Menší součásti.
  • Mnohem vyšší hustota komponent (komponenty na jednotku plochy) a mnoho dalších připojení na komponentu.
  • Součásti mohou být umístěny na obou stranách desky plošných spojů.
  • Vyšší hustota spojů, protože otvory neblokují směrovací prostor na vnitřních vrstvách ani na vrstvách na zadní straně, pokud jsou součásti namontovány pouze na jedné straně desky plošných spojů.
  • Malé chyby v umístění součástek se automaticky opraví, protože povrchové napětí roztavené pájky přitáhne součásti do zarovnání s pájecími podložkami. (Na druhou stranu součásti průchozích otvorů nelze mírně zarovnat, protože jakmile jsou vodiče skrz otvory, součásti jsou zcela zarovnány a nemohou se stranově pohybovat mimo zarovnání.)
  • Lepší mechanický výkon v podmínkách rázů a vibrací (částečně kvůli nižší hmotnosti a částečně díky menšímu převýšení)
  • Nižší odpor a indukčnost při připojení; v důsledku toho méně nežádoucích efektů RF signálu a lepší a předvídatelnější vysokofrekvenční výkon.
  • Lepší výkon EMC (nižší vyzařované emise) díky menší oblasti smyčky záření (kvůli menšímu balení) a menší indukčnosti svodu.
  • Je třeba vyvrtat méně otvorů. (Vrtání desek plošných spojů je časově náročné a nákladné.)
  • Nižší počáteční náklady a doba instalace pro sériovou výrobu pomocí automatizovaného zařízení.
  • Jednodušší a rychlejší automatizovaná montáž. Některé umísťovací stroje jsou schopné umístit více než 136 000 součástek za hodinu.
  • Mnoho SMT dílů stojí méně než ekvivalentní díly s průchozími otvory.

Nevýhody

  • SMT může být nevhodný jako jediný způsob připojení pro součásti, které jsou vystaveny častému mechanickému namáhání, jako jsou konektory, které se používají k propojení s externími zařízeními, která jsou často připojována a odpojována.
  • Pájecí spoje SMD mohou být poškozeny zalévacími sloučeninami procházejícími tepelným cyklováním.
  • Ruční montáž prototypu nebo oprava na úrovni součásti je obtížnější a vyžaduje kvalifikované operátory a dražší nástroje, vzhledem k malým rozměrům a roztečím vodičů mnoha SMD. Manipulace s malými součástmi SMT může být obtížná, vyžaduje pinzetu, na rozdíl od téměř všech komponent s průchozími otvory. Zatímco součásti průchozích otvorů zůstanou na svém místě (pod gravitační silou) po vložení a mohou být mechanicky zajištěny před pájením ohnutím dvou vodičů na straně pájky desky, SMD se snadno přesunou z místa dotykem pájení žehlička. Bez rozvinutých dovedností je při ručním pájení nebo odpájení součásti snadné omylem přetavit pájku sousední součásti SMT a neúmyslně ji přemístit, což je téměř nemožné u součástek s průchozími otvory.
  • Mnoho typů balíčků součástí SMT nelze nainstalovat do zásuvek, které umožňují snadnou instalaci nebo výměnu součástí za účelem úpravy obvodu a snadnou výměnu vadných součástí. (Prakticky všechny součásti průchozích otvorů lze zasunout do zásuvky.)
  • SMD nelze použít přímo s zásuvnými prkénky (rychlý prototypovací nástroj snap-and-play), což vyžaduje buď vlastní desku plošných spojů pro každý prototyp, nebo montáž SMD na kolíkový nosič. Pro prototypování kolem konkrétní součásti SMD lze použít levnější rozbíjecí desku . Kromě toho lze použít protoboardy ve stylu stripboardu , z nichž některé obsahují podložky pro součástky standardní velikosti SMD. Pro prototypování lze použít prkénko „ mrtvé chyby “.
  • Rozměry pájeného spoje v SMT se rychle zmenšují, protože se postupuje směrem k ultra jemné technologii rozteče. Spolehlivost pájených spojů se stává stále větší starostí, protože pro každý spoj je povoleno stále méně pájky. Vyprazdňování je chyba běžně spojená s pájenými spoji, zejména při přetavování pájecí pasty v aplikaci SMT. Přítomnost dutin může zhoršit pevnost kloubu a nakonec vést k jeho selhání.
  • SMD, obvykle menší než ekvivalentní součástky s průchozími otvory, mají menší povrchovou plochu pro značení, což vyžaduje, aby označené kódy součástí nebo hodnoty součástí byly kryptičtější a menší, často vyžadovaly čtení zvětšení, zatímco součást s větší průchozí dírou by mohla být číst a identifikovat pouhým okem. To je nevýhoda pro prototypování, opravy, přepracování, reverzní inženýrství a případně pro produkční nastavení.

Přepracovat

Odstranění zařízení pro povrchovou montáž pomocí pájecí pinzety

Vadné součásti pro povrchovou montáž lze opravit pomocí páječek (u některých připojení) nebo pomocí bezkontaktního přepracovávacího systému. Ve většině případů je lepší volbou systém přepracování, protože práce SMD s páječkou vyžaduje značné dovednosti a není vždy proveditelná.

Přepracování obvykle opraví nějaký typ chyby, generované člověkem nebo strojem, a zahrnuje následující kroky:

  • Tavte pájku a odeberte součásti
  • Odstraňte zbytkovou pájku
  • Tiskněte pájecí pastu na desku plošných spojů, přímo nebo výdejem
  • Umístěte novou součástku a přetavte.

Někdy je třeba opravit stovky nebo tisíce stejného dílu. Takové chyby, pokud jsou způsobeny montáží, jsou často zachyceny během procesu. Zcela nová úroveň přepracování však nastane, když je selhání součásti odhaleno příliš pozdě a možná nepozorovaně, dokud to nezažije koncový uživatel vyráběného zařízení. Přepracování lze také použít, pokud produkty dostatečné hodnoty, které to odůvodňují, vyžadují revizi nebo přepracování, třeba ke změně jediné součásti založené na firmwaru. Přepracování velkého objemu vyžaduje operaci k tomu určenou.

V zásadě existují dvě metody bezkontaktního pájení/odpájení: infračervené pájení a pájení horkým plynem.

Infračervený

Při infračerveném pájení je energie pro ohřev pájecího spoje přenášena infračerveným elektromagnetickým zářením s dlouhými nebo krátkými vlnami.

Výhody:

  • Snadné nastavení
  • Není potřeba stlačený vzduch
  • Žádný požadavek na různé trysky pro mnoho tvarů a velikostí součástí, což snižuje náklady a nutnost výměny trysek
  • Rychlá reakce infračerveného zdroje (závisí na použitém systému)

Nevýhody:

  • Centrální oblasti budou vytápěny více než okrajové oblasti
  • Regulace teploty je méně přesná a mohou na ní být špičky
  • Blízké součásti musí být chráněny před teplem, aby se zabránilo poškození, což vyžaduje další čas pro každou desku
  • Teplota povrchu závisí na albedu součásti : tmavé povrchy se zahřívají více než světlé povrchy
  • Teplota navíc závisí na tvaru povrchu. Konvekční ztráta energie sníží teplotu součásti
  • Atmosféra přetavení není možná

Horký plyn

Během pájení horkým plynem je energie pro ohřev pájecího spoje přenášena horkým plynem. Může to být vzduch nebo inertní plyn ( dusík ).

Výhody:

  • Simulace atmosféry přetavovací pece
  • Některé systémy umožňují přepínání mezi horkým vzduchem a dusíkem
  • Standardní a specifické trysky umožňují vysokou spolehlivost a rychlejší zpracování
  • Povolit reprodukovatelné pájecí profily
  • Účinné vytápění, velké množství tepla lze přenášet
  • Rovnoměrné zahřívání postižené oblasti desky
  • Teplota součásti nikdy nepřekročí nastavenou teplotu plynu
  • Rychlé ochlazení po přetavení, což má za následek drobnozrnné pájené spoje (závisí na použitém systému)

Nevýhody:

  • Tepelná kapacita generátoru tepla má za následek pomalou reakci, při které mohou být tepelné profily zkresleny (závisí na použitém systému)

Balíčky

Včetně příkladu velikostí komponent, metrických a imperiálních kódů pro balíčky se dvěma terminály a srovnání

Součásti pro povrchovou montáž jsou obvykle menší než jejich protějšky s vývody a jsou navrženy tak, aby je ovládaly spíše stroje než lidé. Elektronický průmysl má standardizované tvary a velikosti balení (vedoucí normalizační orgán je JEDEC ).

Identifikace

Rezistory
Pro 5% přesnost jsou rezistory SMD obvykle označeny svými hodnotami odporu pomocí tří číslic: dvou platných číslic a multiplikátoru. Poměrně často se jedná o bílý nápis na černém pozadí, ale lze použít i jiné barevné pozadí a nápisy. Pro rezistory SMD s přesností 1% se použije kód, protože tři číslice by jinak nepředávaly dostatek informací. Tento kód se skládá ze dvou číslic a písmene: číslice označují pozici hodnoty v posloupnosti E96, zatímco písmeno označuje multiplikátor.
Kondenzátory
Neelektrolytické kondenzátory jsou obvykle bez označení a jedinou spolehlivou metodou určování jejich hodnoty je vyjmutí z obvodu a následné měření kapacitním měřičem nebo impedančním můstkem. Materiály použité k výrobě kondenzátorů, jako je nikl -tantalát, mají různé barvy a ty mohou poskytnout přibližnou představu o kapacitě součásti. Obecně je fyzická velikost úměrná kapacitě a (čtvercovému) napětí pro stejné dielektrikum. Například kondenzátor 100 nF, 50 V může být ve stejném balení jako zařízení 10 nF, 150 V. SMD (neelektrolytické) kondenzátory, což jsou obvykle monolitické keramické kondenzátory, vykazují stejnou barvu těla na všech čtyřech plochách, které nejsou zakryty koncovkami. SMD elektrolytické kondenzátory, obvykle tantalové kondenzátory a filmové kondenzátory jsou označeny jako odpory, se dvěma platných číslic a multiplikátor v jednotkách picofarads nebo pF (10 -12 farad).
Induktory
Menší indukčnost se středně vysokými hodnotami proudu jsou obvykle typu feritových perliček. Jsou to jednoduše kovový vodič smyčkovaný feritovým korálkem a téměř stejný jako jejich verze s průchozími otvory, ale mají spíše koncovky SMD než vodiče. Vypadají tmavě šedé a jsou magnetické, na rozdíl od kondenzátorů s podobným tmavě šedým vzhledem. Tyto typy feritových kuliček jsou omezeny na malé hodnoty v rozsahu nanohenry (nH) a často se používají jako odpojovače kolejových napájecích zdrojů nebo ve vysokofrekvenčních částech obvodu. Větší induktory a transformátory mohou být samozřejmě průchozí otvory namontované na stejné desce. Induktory SMT s většími hodnotami indukčnosti mají často otáčky drátu nebo plochého popruhu kolem těla nebo jsou vloženy do čirého epoxidu, což umožňuje vidět drát nebo popruh. Někdy je přítomno také feritové jádro . Tyto typy vyšší indukčnosti jsou často omezeny na malé proudové hodnocení, ačkoli některé typy plochých pásků zvládnou několik zesilovačů. Stejně jako u kondenzátorů nejsou hodnoty součásti a identifikátory pro menší induktory obvykle označeny na samotné součásti; pokud nejsou zdokumentovány nebo vytištěny na desce plošných spojů, je měření, obvykle odstraněné z obvodu, jediným způsobem, jak je určit. Větší induktory, zejména typy s vinutím drátu ve větších stopách, mají obvykle hodnotu vytištěnou nahoře. Například „330“, což odpovídá hodnotě 33 μH . 
Diskrétní polovodiče
Diskrétní polovodiče, jako jsou diody a tranzistory, jsou často označeny kódem se dvěma nebo třemi symboly. Stejný kód označený na různých balíčcích nebo na zařízeních od různých výrobců lze přeložit na různá zařízení. Mnoho z těchto kódů, používaných proto, že zařízení jsou příliš malá na to, aby mohla být označena více tradičními čísly používanými u větších balení, koreluje se známějšími tradičními čísly dílů, když je konzultován seznam korelací. GM4PMK ve Spojeném království připravil seznam korelací a podobný seznam .pdf je také k dispozici, i když tyto seznamy nejsou úplné.
Integrované obvody
Balíčky integrovaných obvodů jsou obecně dostatečně velké na to, aby se do nich dalo vložit kompletní číslo dílu, které obsahuje specifickou předponu výrobce, nebo významný segment čísla dílu a název nebo logo výrobce .

Viz také

Reference