Монтаж платы печатной – Печатная плата — Википедия

Содержание

Виды монтажа печатных плат

Печатная плата представляет собой пластину, на которой нанесен замысловатый рисунок. Сама плата изготавливается из диэлектриков, а серебристые дорожки – из материалов, способных хорошо проводить ток. Благодаря этому устройству стало возможным уменьшить размеры многих электронных устройств.

В стоимость приборов также входит цена на монтаж печатных плат, поскольку этот процесс обычно доверяется сторонней компании, специализирующейся на изготовлении печатных плат различной сложности.

Какие виды монтажа используются

Под монтажом печатных плат понимают процесс размещения на ней конденсаторов, резисторов и других компонентов, обеспечивающих работу электроники. Существуют такие разновидности монтажа плат:

  1. Выводной монтаж. В местах крепления компонентов платы заранее подготавливаются небольшие отверстия для их выводов. Непосредственная фиксация всех составляющих печатной платы осуществляется с обратной ее стороны.
  2. Поверхностный монтаж подразумевает закрепление всех компонентов непосредственно на поверхности платы. Этот способ часто называют SMD-технологией.
  3. Иногда монтаж может быть смешанных. При изготовлении платы могут применяться технологии каждого из описанных выше методов.

На сегодняшний день чаще можно встретить платы, монтаж которых осуществлялся поверхностно. Этот способ дает возможность сделать производство печатных плат максимально автоматизированным, а значит менее затратным.

Монтаж компонентов

Основным способом монтажа отдельных элементов на печатной плате является пайка. В небольших мастерских этот процесс осуществляется вручную при помощи паяльника, а на крупных предприятиях применяется технология групповой пайки.

Использование специальных аппаратов-установщиков позволяет снизить вероятность ошибки, а также ускорить сам процесс закрепления отдельных компонентов.

Автоматическая пайка может быть выполнена несколькими способами:

  • пайка волной применяется при выводном монтаже. Все компоненты заранее размещаются на своих местах, а затем плата проводится над емкостью с расплавленным припоем. Волна жидкого металла смачивает выводы компонентов, надежно их фиксируя;
  • монтаж поверхностным способом подразумевает использование пайки в печах. На плату наносится особый порошок, являющийся припоем, а затем на ней размещаются компоненты. В таком виде плата поступает в печь, где под воздействием температуры происходит расплавление порошкообразного припоя.

Смотрите также:

Выбор однокомнатной недвижимости в Казани http://euroelectrica.ru/vyibor-odnokomnatnoy-nedvizhimosti-v-kazani/.

Интересное по теме: Как снять однокомнатную квартиру в Тюмени?

Советы в статье «Как работать плазменной резкой » здесь.

Независимо от того, каким именно способом изготавливалась плата, на нее обязательно наносится защитное покрытие.


euroelectrica.ru

быстрый старт с нуля / Блог компании МАСТЕР КИТ / Хабр

Если вы помните мой предыдущий пост, там было высказано желание разобраться, что и как можно добавить к понравившейся мне модели, чтобы DIY forever. Большое спасибо пользователям UseTi, Phmphx, lomalkin и в особенности n4k4m1sh2, которые поделились интересными идеями на эту тему в комментариях. Понятно, что для поставленных целей нужны два навыка, один из которых — монтаж печатной платы. А значит сегодня мы будем паять, с нуля.

С полки детского магазина был взят очередной набор, конкретно этот.

Итак, тестируем «Набор Юного электронщика». Получится ли с его помощью собрать рабочие конструкции с нуля не имея предварительных навыков, как это до того у нас получилось с механической моделью?

В наборе уже есть всё, чтобы быстро совершить сборку:

  • паяльник, припой с каналом флюса (очень удобно!) и кусачки
  • мультиметр
  • две печатных платы с деталями

Т.е. есть что паять, чем паять и, что немаловажно — чем проверить компоненты и уже готовую схему.

Также, в набор входят две брошюры:

1. Методическое пособие, которое содержит общие сведения о приборах, деталях и процессе пайки.

2. Инструкция к сбору двух входящих в набор устройтсв и последующей настройки одного из них.

Брошюры хорошие, но, если вы помните, мне больше понравилась инструкция к роботу, где не было слов — только изображения + пошагово расписана сборка. В инструкции к этому набору пошаговой инструкции нет. В чем-то это и хорошо, потому что если ориентироваться на эти две брошюры, хочешь-не хочешь, придётся сначала всё прочитать и понять, и только затем действовать — то есть, они приучают мыслить системно. Но немного не хватает динамики, и, мне кажется, детям этого тоже может не хватать ещё больше, чем мне. Поэтому если будете собирать нечто подобное, надеюсь, этот пост сильно сэкономит вам время.

Дополнительные инструменты


Чего нет в наборе, но понадобится или может понадобится:

1. Пинцет. Мы взяли маникюрный.
2. Батарейка «Крона» на 9В
3. Крестообразная отвертка — в одной из схем есть клемма. Затянуть в ней провода получится часовой крестообразной отверткой.
4. Приспособление для пайки «третья рука» — вот уж без чего можно обойтись, хотя в инструкции и брошюре она постоянно упоминается. Конечно, с нею было бы удобнее, но если просто собрать все детали на плате, а затем её перевернуть, то обе входящих в набор платы будут относительно устойчивы и паять будет в принципе удобно и без дополнительных приспособлений.
5. Лупа
6. Оловоотсос
7. Очки и респиратор
8. Подставка для паяльника
9. Вентилятор\вытяжка

Из всего этого списка совсем туго придётся только без первых двух пунктов. Подставкой для паяльника у нас в этот раз стал робот из предыдущего поста. Остальное для монтажа двух маленьких плат было бы действительно лишним.

Зато нелишним будет напомнить, что при пайке выделяются пары олова, которые не слишком полезны для здоровья. Собственно пайка двух входящих в комплект схем заняла у меня не более 10 минут и мне не поплохело. Однако небольшой вентилятор, отгоняющий дым в сторону, или хотя бы открытое окно — это стандартная и очень хорошая практика. Кроме того, после пайки нужно вымыть руки. Глаза тоже нужно беречь — отлететь может откушенная кусачками ножка детали или в процессе пайки может отлететь капелька горячего олова (хотя у нас не отлетало). Поэтому надевайте защитные очки. Берегите себя!

Питание


Для начала, всё что нам понадобится — это докупленная отдельно батарейка «Крона». В наборе есть разъем под неё, который, по инструкции, надо впаять в первую схему. Мой совет: не делайте этого, оставьте её так и используйте в обеих схемах — и для тестирования первой, и для настройки второй.

Устройства, которые мы соберём, потребляют какое-то безумное количество мА\час.

Если речь идёт об электрической цепи, то наши ресурсы и то, как мы их быстро потратим, измеряются в А\ч (Ампер в час, mAh). Ёмкость типичной «Кроны» (по паспорту):

625 мА·ч ≈ 0,5 А·ч

Первое устройство, «Хамелеон», потребляет до 200 мА·ч. Поэтому нашей Кроны этой схеме хватит на:

625мАч/200мА = 3,125 часа.

а значит использовать её рекомендуется только для проверки работы схемы. Хорошим выходом будет аккумулятор на 12 вольт и ёмкостью не менее 0,5 А·ч.

мА·ч — это то, как быстро сядет батарейка! =)

Было бы круто иметь возможность припаять на платы один из таких разъёмов, и затем включить в него вот такой лабораторный блок питания. Но ни под один из доступных разъёмов на плате нет подходящих отверстий. Следовательно, подключить блок питания мы пока не можем.

Первый блин комом или сразу troubleshooting


Есть такой анекдот: купил человек самолёт и журнал с описанием «Как делать мёртвую петлю». Следуя инструкции, сел в самолёт, взлетел, начал делать мёртвую петлю — всё получается. Переворачивает страницу, а там: «… выход из мёртвой петли читайте в следующем номере».

Можно много говорить о культуре пайки и о том, что это целое искусство. Одно останется неизменным: если делаешь что-то в первый раз и по книжке, то сначала может не получится. Вот наша первая плата, набор «Хамелеон», вернее то, что из неё получилось. Какие ошибки были допущены?

1. Нарушена технология пайки, как результат — непропаянные контакты, которые лучше выпаять и впаять снова (не перепутав полярность!)
2. Нарушена технология работы: каждая деталь впаивалась по очереди. Ниже вы увидите, насколько выгоднее в этом плане послушать инструкцию и сначала собрать все детали, а потом закрепить их.

Результат: детали красиво стоят в кривь и в кось, а из трех цепочек диодов загорелась в итоге только одна.

Возможное решение: выпаять все детали и впаять заново.

Позитивный момент: можно найти всегда. В данном случае у нас нигде нет «паразитарных перемычек». Правда, удалять их достаточно просто в любом случае: просто провести жалом паяльника и разделить спаявшиеся вместе контакты.

Паять!


Итак, первая схема не получилась у нас из-за нарушения технологии пайки, поэтому сразу обговорим этот простой и на самом деле приятный момент.

В брошюре достаточно наглядно показано и рассказано, как паять, но, к сожалению, мне это не сильно помогло, т. к. там сказано «как надо», а хотелось бы понять саму технику.

Пожалуй, лучшая рекомендация, которую удалось найти, была в этом посте. Приведу её целиком:

Все дело в процессе. Делать надо так:
  • Деталь вставляется в плату и должна быть закреплена (у вас не будет второй руки, чтобы держать).
  • В одну руку берется паяльник, в другую — проволочка припоя (удобно, если он в специальном диспенсере, как на картинке).
  • Припой на паяльник брать НЕ НАДО.
  • Касаетесь кончиком паяльника места пайки и греете его. Обычно, это секунды 3-4. (на самом деле 1-2 с. — прим. А.Ч.)
  • Затем, не убирая паяльника, второй рукой касаетесь кончиком проволочки припоя с флюсом места пайки. В реальности, в этом месте соприкасаются сразу все три части: элемент пайки и его отверстие на плате, паяльник и припой. Через секунду происходит «пшшшшш», кончик проволочки припоя плавится (и из него вытекает немного флюса) и необходимое его количество переходит на место пайки. После секунды можно убирать паяльник с припоем и подуть.

Дополнительно могу порекомендовать иллюстрированный комикс, переведённый хабрапользователем atarity.

Также, время от времени на жале паяльника образуется нагар и его нужно чистить. Для этого в индустрии используются специальные целлюлозные губки, обязательно смоченные водой. В нашем случае нагар можно снять просто стряхнув его механически — например, тупой стороной ножа.

Пошаговая инструкция


После того как первое устройство было нами несправедливо загублено, появилось понимание того, как выстроить процесс более эффективно. Надеюсь, эта пошаговая инструкция поможет вам так же быстро собрать свой собственный набор.

Итак, у нас есть горсть деталей и мы понятия не имеем что к чему. Берём симпатичный маникюрный пинцет (что было дома) и выбираем из этой груды все резисторы.

Вот так они выглядят. Если внимательно присмотреться, мы увидим что у нас 8 одинаковых, ещё 2 одинаковых и 1 «сам по себе». Присматриваться нужно к полосатой маркировке на корпусе. На плате место для резистора обозначается R (resistor). Первые 8 одинаковых становятся в ряд внизу, как это видно на плате, ещё 2 одинаковых слева вверху и один, который «сам по себе» — собственно, монтируется «сам по себе».

На этом этапе, не упустите возможность поиграть с мультиметром. В брошюре подробно описано, как измерить сопротивление резистора.

Хорошая новость: у резисторов нет полярности. Это значит, что нам не важно, какой стороной мы их посадим на плату. Поэтому, долго не думая, придаём нужную форму контактам, сажаем всех на плату, отрезаем кусачками лишнее. Чтобы было удобно паять, мы положили плату на край небольшой картонной коробки, т. к. если её положить на стол, это не дало бы возможности припаять резисторы немного над платой, как это рекомендуется сделать.

Вот что у нас получится. Всё ещё далеко от идеала, но уже гораздо лучше по сравнению с первым набором! Продолжаем.

Теперь отберём все конденсаторы. На плате места для них обозначаются C (capacitor). Конденсаторы бывают полярные, а бывают неполярные. Это значит, что некоторые конденсаторы, если их посадить на плату «не той стороной» работать не будут и вся цепть работать не будет. Подсказка: желтые конденсаторы неполярны, поэтому просто сажаем их в гнёзда C3 и C4.

Цилиндрические конденсаторы полярны. Как определить полярность? Два способа:

1. До обрезки ножек та, что длиннее — это плюс. Достаточно совместить его с маркировкой «+» в посадочном гнезде конденсатора C1 или C2

2. Синяя полоса на конденсаторе — это «ключ». Она там, где минус. Достаточно разместить её с обратной стороны от маркировки «плюс».

Подсказка: если думать лень, просто посадите полярные конденсаторы как на изображении.

И диоды! Диоды все полярны. Способы определить полярность:

1. Более длинная ножка — плюс.
2. Фаска (скос) на боку основания самого диода. Не очеь удобно, т. к. у прозрачных диодов её не видно почти совсем. Все фаски диодов на данной плате должны оказаться с одной стороны — наружной.
3. Поставьте мультиметр в режим прозвона (значок «wi-fi», а на самом деле — звукового сигнала, на мультиметре), черным проводом (минус) коснитесь короткой ножки, красным (плюс) — длинной. В нашем случае диод загорится. Если поменять полярность — не загорится. Это происходит потому, что диод пропускает ток только в одном направлении.

Если перепутать полярность хотя бы у одного диода, то вся цепочка гореть не будет. Но! Нас эти три способа определения полярности диода не подвели. Последний способ можно ещё раз использовать после монтажа для прозвона цепи и чтобы убедиться, что полярность диодов не нарушена.

У нас осталась только ещё несколько деталей. По часовой стрелке на фото:

Кнопка. Не полярна. Просто поставить и надавить слегка — она закрепится на плате.

Микросхемы: у них есть «ключи» сверху на корпусе. У той, что длиннее, это выемка, которую надо совместить с обозначением на плате. В нашем случае выемка будет смотреть направо, в сторону резисторов. У микросхемы поменьше ключ в виде углубления в левом верхнем углу. Там он и должен оказаться на схеме. Также, эта выемка схематично обозначена на плате, тоже сверху.

Обратите внимание на старые добрые «ламповые» (в смысле — уютные) DIP-микросхемы. Сейчас кроме наборов для творчества их уже мало где встретишь, хотя паять их для меня лично — одно удовольствие, равно как и собирать шестереночные механизмы. В промышленности же на смену традиционным методам, которыми пользовались ещё наши родители и бабушки и дедушки тех, кому предназначается этот набор, пришёл поверхностный монтаж.

Микросхема стабилизатора напряжения. С ней всё просто, перепутать ничего не получится.

Клеммный разъем. Сюда мы будем подключать блок питания. Поэтому важно: у клеммного разъема отверстия под провод должны смотреть наружу платы, иначе их закроет собой близко стоящий конденсатор, и заклепить в клемме провода станет затруднительно (собственно, у нас так и вышло). В случае неправильного размещения клеммного разъема выпаять его без вакуумного оловоотсоса, скорее всего, не получится (у нас не получилось).

Готово! Нам удалось допустить всего одну существенную ошибку при сборке — это расположение клеммного разъема. Но на полярность это не влияет, скорее на удобство эксплуатации.

У нас получилось мини-проверяющее устройство, которое всегда покажет, сколько ещё батарейки осталось. Сейчас мы его настроим на проверку батарейки Крона, которая у нас уже есть и в которой заряд — 9В, пока она не села.

Помните, мы рекомендовали вам не впаивать провода с клеммами для батарейки в первую схему? Если впаяли — выпаяйте, сейчас они нам понадобятся.

Подключаем новую, ещё не севшую батарейку. Соблюдаем полярность (плюсовой разъем клеммы обозначен на плате). Загорелся первый красный светодиод. Схема работает!

Коротко разово нажимаем кнопку. Прибор измеряет напряжение в 9В и запоминает его. Если бы у нас была рядом севшая Крона, можно было бы проверить разность заряда.

Подсказка: быстро разрядить Крону можно при помощи первой схемы если вы её, конечно, правильно собрали. Как мы уже говорили, потребляет она до 200 мА, поэтому разрядит батарейку примерно за три часа.

Собственно, с теми же функциями измерения вольтажа справляется и входящий в набор мультиметр, но делает он это, конечно, не настолько эффектно. При наличии лабораторного блока питания, можно перепрограммировать наше устройство каждый раз под новый вольтаж. То же самое можно сделать, подключая разные батарейки и снова нажимая кнопку «запомнить».

В заключение хочется сказать спасибо тем, кто придумал и создал этот набор. Два дня назад у меня не было ни малейшего понятия о процессе монтажа печатных плат. Сейчас я отличаю резистор от транзистора и могу посадить их на плату, используя ключи, мультиметр и прочие подсказки. Кроме того, одно из устройств мне удалось сразу собрать и запустить в работу! Как всегда, это очень приятно: видеть и держать в руках то, что удалось собрать самостоятельно.

Благодаря этому двухдневному погружению в электронику, мне стало понятно, что ещё я хочу узнать:

1. Как прозванивать смонтированную печатную плату, чтобы найти, где дефект и устранить его, а не перепаивать всю плату целиком (у меня всё ещё есть надежда пересобрать первое устройство!).
2. Как рассчитать энергопотребление схемы и самостоятельно рассчитать, на сколько хватит того или иного заряда аккумулятора?
3. Три показателя, которое мы измерили в процессе сборки при помощи мультиметра — количество вольт в батарейке, сопротивление в омах резисторе, измерение силы тока в амперах. Как они взаимосвязаны и что я могу с этим делать?
4. Как прочитать принципиальную схему устройства и увидеть её на плате? Как совместить п. 3 и п. 4?

Поэтому хочу обратиться к тебе, Хабр. Поделись, пожалуйста, ссылками на статьи и книги по этой теме, которые тебе понравились, которые легко читать, и быстро можно понять.

А также, подскажи, пожалуйста, что бы ты сделал с питанием устройств, клеммами и разъёмами, потому что пока что у меня есть только вариант «два торчащих провода и батарейка Крона».

Надеюсь, этот обзор тоже поможет кому-то «въехать» в нужную тему быстрее и легче. Удачи вам!

habr.com

Монтаж печатных плат в Москве и Санкт-Петербурге

Скачать рекомендации по подготовке комплектации и документации >


Уважаемые заказчики, наше сборочное производство в Москве и Санкт-Петербурге оснащено современным оборудованием от ведущих мировых производителей. Цеха включают две линии автоматизированного монтажа, участок ручного монтажа, мультизонную конвекционную печь, две станции автоматической оптической инспекции, установку рентген-контроля и другое необходимое оборудование. 

Это позволяет нам изготавливать технологически сложные печатные платы в опытных, мелкосерийных и среднесерийных партиях. Если вопрос качества стоит для Вас на первом месте, то будем рады видеть Вас среди наших заказчиков. 

Сроки

Типовой срок выполнения небольших заказов – 2-2.5 недели, для срочных заказов – 1 неделя.

Цены

Высокая квалификация сотрудников цеха и возможности оборудования позволяют нам обеспечивать весьма конкурентоспособные цены на монтаж печатных плат и другое производство. Чтобы получить оценку стоимости, отправьте PCB-файл, бланк заказа, сборочный чертеж и спецификацию на e-mail [email protected]

Напишите нам для оценки стоимости монтажа

Услуги и стоимость монтажного производства
Описание услуги Параметры Стоимость
Монтаж образцов Ручной и/или манипуляторный
Срок 2-2.5 недели
договорная,
от 5000 до 25000 р
Монтаж серийный несрочный Срок 5-6 недель минимальная,
по договоренности
Монтаж средних партий
(10…100 шт)
Монтаж SMT на станке + манипулятор
Ручной штыревой монтаж
Срок 2.5-3 недели
договорная
от 25000 до 100000 р
Экспресс-монтаж 1 неделя надбавка до 50%
Монтаж плат большого габарита до 610x450x7.0 мм договорная
Монтаж BGA Шаг до 0.4 мм от 100 р/шт.
Рентген-контроль Нанофокус, с просмотром под углом от 100 до 300 р/шт
Технологический рентген — бесплатно.
Монтаж пассивных компонентов
малого размера
Вплоть до 0402, 0201 и 01005 Надбавка до 30%
Запрессовка
разъемов Press-Fit
В зависимости от модели.
Возможно изготовление оснастки под нестандартные разъемы.
От 100 р/шт.,
или по трудоемкости
Монтаж безвыводных корпусов
CCGA, COB, CSP, LGA
Да, с возможностью рентген-контроля Договорная
Смешанный монтаж BGA
(свинцовый и бессвинцовый)
Да, на свинцовую паяльную пасту
по усредненному термопрофилю
Стандартная
Ремонт и реболлинг BGA Да, шаг шариков от 1 до 0.3 мм от 200 до 800 р/шт.
Двусторонний зеркальный монтаж BGA Да Надбавка до 50%
Монтаж микросхем
с малым шагом
Да, до 0.4 мм Надбавка до 5%
Отмывка ПП Да, при наличии указаний заказчика
Требуется заранее указывать тип пайки — безотмывная или водосмывная
При использовании химии — надбавка 5…10%
Монтаж  Flip chip Да Типовая
Монтаж MCM Да Типовая
Монтаж MEM Да Типовая
Монтаж uBGA Да Типовая
Бессвинцовый монтаж Да, по договоренности Типовая
Формовка выводов CQFP Да, типа «крыло чайки», по чертежам заказчика от 15000 до 50000 р/заказ

 

Участок ручного монтажа

 

Станок SMT-монтажа EUROPLACER IINEO TORNADO позволяет зарядить одновременно до 250 номиналов

Готовые к упаковке изделия для одного из заказчиков

В случае, если планарные компоненты предоставлены заказчиком без достаточного запаса, их монтаж выполняется на SMT-манипуляторе

Установка рентген-контроля с нанофокусом позволяет гарантированно проверить качество мотажа BGA-элементов, без чего невозможно изготовление технологически-сложных изделий, стоимость компонентов которых достаточно высока

 

Комплектация

Мы предлагаем воспользоваться нашей услугой по закупке комплектующих для монтажа ваших печатных плат. В этом случае предоставляются скидки на все этапы контрактного производства, и гарантируется корректность подготовки комплектации к изготовлению, с учетом всех требований. Кроме того, мы можем изготовить металлические СВЧ-экраны (стандартные и на заказ) для установки на печатную плату и экранирования электромагнитных излучений.

Печатные платы:

• стеклотекстолит – рекомендуется FR4 High Tg, допустимо FR4
• защитная паяльная маска должна быть нанесена поверх меди
• покрытие площадок – HASL, бессвинцовый HASL или иммерсионное золото
• переходные отверстия не должны находиться на контактных площадках или близко от них
• максимальные габариты собираемых печатных плат: L=457 мм (до 500 мм), H=300 мм
• минимальные габариты: 

Ручной монтаж, единичные экземпляры: удобные для манипуляций руками.

Автоматический монтаж печатных плат: не менее 50 мм x 50 мм.

Для монтажа на автоматах  желательно объединение плат в панели! • Наилучший размер панели 200 х 250 мм — для толщины плат от 1,5 мм.
• Должны стоять три реперные метки по углам панели для автоматического монтажа.
• Для автоматического монтажа с 2 сторон платы нужно расстояние, свободное от планарных компонентов, не менее 5 мм от края – для закрепления на линии. Если не обеспечено это требование, то будет выполняться допайка этих компонентов вручную (если это допустимо)

Файлы

Для ориентировочной оценки заказа на монтаж печатных плат желательно предоставить хотя бы некоторые из файлов.

  1. Бланк заказа на монтаж с указанием точек пайки, сторон монтажа, наличие BGA и других особенностей.
  2. Спецификация или перечень, или (лучше) список типов корпусов с их количеством: формат Excel, Word.
  3. Файл печатной платы: формат Gerber, PCAD, ACCEL EDA, Orcad, Cadence Allegro.
  4. Сборочный чертеж или габаритный чертеж: формат AutoCAD или PDF.
  5. Указание — односторонний или двусторонний монтаж, и особенности монтажа.
  6. По возможности — количество планарных и штыревых точек пайки на Top и Bottom, количество и типы BGA.

Заполненный бланк заказа сократит время оценки заказ!

Для размещения заказа на монтаж нам необходимы следующие файлы.

  1. Спецификация: формат Excel, Word.
  2. Накладная на компоненты по форме М-15 (или передаточная ведомость): формат Excel, Word.
  3. Файл печатной платы: формат Gerber, PCAD, ACCEL EDA, Orcad, Cadence Allegro.
  4. Файл трафарета: формат Gerber.
  5. Файл Pick & Place (программа для автомата): формат TXT, Excel, Word.
  6. Сборочный чертеж: формат AutoCAD или PDF.

Базовым документом для монтажа является спецификация. В соответствии с ней осуществляется монтаж.

Вспомогательными документами являются: передаточная накладная, программа для автомата Pick & Place, сборочный чертеж, файл PCB и др. документация, если имеется. В случае разночтения документов или файлов со спецификацией преимущество имеет спецификация.

Требования к подготовке компонентов для монтажа печатных плат

  • Компоненты для сборки должны поставляться в заводских упаковках.
  • BGA-компоненты должны поставляться в вакуумной упаковке.
  • Для компонентов в лентах нужен запас 3% и заправочный конец 50 мм.
  • Для других компонентов нужен запас 1%, но не менее 1 шт.

Каждое наименование укладывается в отдельную упаковку (коробку или пакет) с четко читаемым наименованием и указанным количеством, корректно отраженным в передаточных документах.

Использование лент без заправочных концов согласовывается и оплачивается заказчиком дополнительно. Отсутствие технологического запаса обязательно приведет к получению заказчиком недоукомплектованных узлов (на нескольких последних платах компоненты, которые были предоставлены без запаса, будут отсутствовать).

Если у вас остались еще вопросы, то вы можете их уточнить непосредственно у наших специалистов. Для этого нужно позвонить по телефону +7 (499) 558-02-54 (Москва) или +7 (812) 779-12-23 (Санкт-Петербург).

См.также:
Комплектация >
Бессвинцовые технологии >

 

Версия для печати

www.pcbtech.ru

ВЫВОДНОЙ МОНТАЖ элементов на печатную плату — Конструирование и проектирование электронной аппаратуры

ВЫВОДНОЙ МОНТАЖ

 

Участок модуля смонтированного по технологии выводного монтажа.
Компоненты установлены на плате по варианту I, без зазора.

     Сборку электронного модуля установкой компонентов с выводами в отверстия печатной платы и последующей пайкой называют выводным монтажом. Такой тип монтажа – прародитель современных технологий производства электронных модулей. Выводной монтаж появился одновременно с печатными платами. Появление сборки с применением печатных плат в дальнейшем к позволило автоматизировать проектирование и производство электроники. Сейчас выводной монтаж отходит на второй план, отступая перед монтажом планарных компонентов, но остаются категории электронных приборов, где выводной монтаж доминирует над другими технологиями. Это силовая электроника, источники питания, высоковольтные модули и другие.

Разъем, смонтированный на плате.

     Существуют компоненты, не имеющие аналогов в планарном исполнении – разъемы, реле, трансформаторы для которых сборка может быть выполнена только с использованием технологии выводного монтажам.

     Подготовка компонентов к монтажу нужна для выравнивания гибких выводов компонентов. Формовка производится таким образом, что расстояние между концами выводов компонента соответствует его месту установки на плате и обеспечивается требуемое расстояние между платой и компонентом. Форма выводов компонентов зависит от варианта установки.

Выводы компонентов формуются и устанавливаются на плату.

     Формовка гибких выводов не должна их повреждать, нарушать покрытие выводов, изгиб недопустим в точке соединения вывода с корпусом и производится только на расстоянии не менее допустимого. Способ формовки должен исключать поворот вывода относительно корпуса компонента. Должна быть обеспечена сохранность стеклянных изоляторов между выводом и металлическим корпусом компонента.

     Простые ограничения двух размеров R и L описывают допустимую форму изгиба вывода компонента происходящем при формовании. Радиус R изгиба вывода зависит от диаметра вывода и составляет минимум два диаметра вывода. Наименьший зазор между точкой входа вывода в корпус компонента до вертикальной оси отформованного вывода L находится в диапазоне 1…4 мм и зависит от типа корпуса компонента. После формовки на выводах не должны появляться деформации и утончений. Соблюдение приведенных простых правил способствует сохранности компонентов и надежности работы электронных модулей.

Размеры формованного вывода компонента в корпусе с осевыми выводами.
Компонент установлен по варианту II, с зазором между корпусом компонента и печатной платой.

     Длина вывода от корпуса компонента до области пайки должна превышать 2,5 мм. Запрещается формовать жесткие выводы мощных транзисторов, диодов средней и большой мощности. Запрещается формовать выводы компонентов в корпусах, имеющих множество выводов, например микросхем в DIP корпусе.

Ручное формовочное оборудование.

     Операцию формовки проводят на ручных приспособлениях и полуавтоматических установках. Формовочные полуавтоматы могут выполнять рихтовку, зачистку и подрезку выводов. Полуавтоматы могут контролировать электрические параметры компонентов, производить укладку компонентов в технологические кассеты.

Формовочный автомат.

     Компоненты поступают в формовочный автомат из специальных лент, трубчатых кассет или россыпи. Требуемые размеры выводов регулируются, формовочные автоматы укомплектованы различными формовочными матрицами. Конструкция формовочных матриц обеспечивает правильную формовку. Для формовочного оборудования есть автоматические счетчики компонентов, подаваемых из ленты. Производительность автоматических счетчиков до 360000 штук в час.

Производительность автоматического формовочного приспособления:

Тип корпуса

Осевые выводы

Радиальные выводы

Из лент

40000

20000

Из россыпи

7000

3000

 

     Ручная подача компонентов обеспечивает типовую производительность формовки около 1500…3000 компонентов в час.

 

Варианты установки выводных компонентов на печатную плату.

 

     Вариант I – нет зазора между корпусом компонента и платой. Этот вариант хорошо подходит для установки компонентов на одностороннюю плату. Проводящий рисунок расположен на противоположной стороне от компонентов, что исключает контакт корпуса компонента и проводящего рисунка. Сокращение длины выводов компонентов снижает восприимчивость к электромагнитным помехам и снижает излучение собственных помех в эфир. Компоненты хорошо выдерживают вибрацию. Высота модуля снижается. Улучшается охлаждение компонента благодаря передаче тепла плате, что повышает надежность. Недостатком этого варианта установки является сложность отмывки модуля от флюса, обеспечение изоляции компонента от проводящего рисунка в случае двусторонней платы.

Формовка выводов, обеспечивающая зазор между платой и корпусом компонента.

     Вариант II – между платой и корпусом компонента зазор. Применяется для двусторонних плат. Этот способ установки способствует удалению излишков флюса отмывкой, снижается нагрев микросхем при пайке. Возможно повреждение контактной площадки на односторонней плате при нагрузке на компонент сверху.

     Вариант III – вертикальная установка. Компоненты с осевыми выводами располагаются плотнее. Такой вариант снижает технологичность, повышается вероятность замыкания между выводами, возрастает высота модуля. При вертикальной установке компонентов угол наклона компонента относительно вертикальной оси не должен превышать 15°.

     Установка компонентов должна облегчать чтение маркировки. Особенно важно предусмотреть чтение маркировки полярности. Максимальное облегчение чтения маркировки облегчает контроль монтажа.

     Сборка электронных модулей с применением выводных компонентов может производиться вручную или с помощью специального автоматического оборудования.

     Качество пайки выводного компонента зависит от зазора между выводом компонента и стенками металлизированного отверстия. Зазор должен обеспечивать капиллярность, способствующую втягиванию припоя в полость между выводом и стенками отверстия и обеспечивать проникновение флюса, выход газов при пайке. Оптимальным зазор от 0,3 до 0,4 мм при использовании свинцовых припоев и 0,5 мм при использовании бессвинцовых припоев для плат толщиной от 1 до 3 мм с отверстиями диаметром от 0,6 до 1,2 мм.

     Ручной выводной монтаж модулей целесообразно использовать в следующих случаях: применение автоматического оборудования невыгодно из-за малого объема заказа или сборки нескольких макетных образцов модулей, платы не подходят для автоматизированного монтажа, при окончательном монтаже выводных элементов после автоматического монтажа. Сегодня электроника находится на уровне развития не позволяющем полностью отказаться от ручных операций монтажа. Монтажник тщательно проверяет внешний вид каждого компонента перед установкой. При необходимости выполняется очистка выводов от окислов и лужение выводов. Есть возможность придания выводам каждого компонента, формы наиболее оптимальной для установки на плате, обусловленной конструкцией электронного модуля. Ручная формовка позволяет придать форму выводам компонентов, облегчающую чтение маркировки.

Ручной монтаж.

     Некоторые рекомендации при ручной пайке. При монтаже следует использовать паяльник с предварительно луженым жалом. В зависимости от массы компонента и ширины дорожки на прогрев области пайки может понадобиться от доли секунды до двух секунд. При использовании трубчатых и припоев в виде проволоки пайка осуществляется с двух рук. Для получения наилучших результатов следует придерживаться следующей последовательности действий. Для предварительного прогрева соединяемых поверхностей коснитесь одновременно жалом паяльника контактной площадки платы и вывода компонента. Припой, находящийся на жале паяльника, нанесенный при лужении жала, способствует передаче тепла благодаря большей площади соприкосновения жала с областью пайки.

Пайка паяльником с двух рук.

     Поднесенная к области пайки трубка припоя с флюсом позволит перенести плавящийся припой в область пайки. Это потребует около половины секунды. Если припой подать на жало, то флюс будет преждевременно выгорать. Уберите трубку припоя из паяемого соединения, а затем уберите паяльник. Вся операция должна занимать от половины до двух секунд в зависимости от параметров паяльника и смачиваемости припоем соединяемых поверхностей. Увеличение времени операции и повышение температуры паяльника могут привести к увеличению остатков флюса, пайка может оказаться хрупкой. После пайки выполняется обрезка выводов.

Обрезка выводов компонентов после ручной пайки.

     Автоматическая сборка выполняется с помощью специального оборудования двух видов: установщики компонентов и автоматы для пайки. Преимущества автоматического монтажа плат: надежность, снижение себестоимости, высокая точность, скорость, монтаж миниатюрных элементов, автоматический контроль. Автоматы позволяют производить переналадку производственных линий благодаря программированию. Качество автоматического монтажа, а так же его стоимость, при применении автоматизированных устройств во многом обеспечивается на этапе проектирования. Современные технологии позволяют располагать компоненты с минимальным расстоянием друг от друга, до долей миллиметра, но это не всегда оправдано. Маленькие расстояния затрудняют ремонт, а так же контроль компонентов и паяных соединений. Установка компонентов осуществляется с применением специальных монтажных автоматов, осуществляющих еще и подрезку, подгибку с обратной стороны платы.

Сборочная головка автомата устанавливает компонент в радиальном корпусе.

     Установщики выводных компонентов оснащаются набором сборочных головок. В большинстве автоматов головки имеют механические захваты, управляемые сервоприводом. Стандартные углы поворота компонента кратны 90°. Существует возможность оснащения автомата сборочной головкой со свободным углом поворота. Ряд автоматов обладает способностью устанавливать на плату проволочные перемычки, нарезая их непосредственно перед монтажом. Паспортная производительность современного монтажного оборудования достигает 20000…40000 компонентов в час. Производительность установщика при монтаже компонентов сложной формы может быть меньше в десять раз.

     Монтажные автоматы оснащаются различными загрузочными устройствами – питателями. Компоненты могут поставляться вклеенными в ленту, намотанную на бобину или упакованную в магазин-коробку. Ленточные питатели предназначены для подачи компонентов, вклеенных в ленту. Питатели из трубчатых кассет предназначены для микросхем в DIP-корпусе и компонентов сложной формы, имеют наклонный транспортный лоток. Существуют горизонтальные питатели для компонентов, которые не скользят свободно по наклонному лотку вследствие своих конструктивных особенностей: массы, формы корпуса либо выступающих острых выводов. Вибробункерные питатели подают различные компоненты из россыпи и обеспечивают ориентацию компонентов перед захватом. Матричные (сотовые) питатели для компонентов сложной формы для подачи из матричных поддонов, магазинов. Некоторые питатели оснащаются микропроцессорным управлением.

     Выбор технологии пайки осуществляется в зависимости от количества монтируемых элементов, их местоположения, объема сборки и сложности. Автоматический монтаж выводных компонентов выполняется на линии селективного монтажа или пайки волной.

Установка пайки волной.

     Пайка волной зародилась в пятидесятых годах в Великобритании. Технология используется для пайки выводных компонентов, распложенных на одной стороне платы. Сейчас это самый распространенный способ сборки крупных партий электронных модулей. Пайка волной позволяет использовать отечественные выводные компоненты, благодаря чему эта технология получила распространение на территории СНГ.

     Технология пайки волной обладает уникальной производительностью для автоматизированного монтажа электронных компонентов. При этом над платой выполняется ряд операций: нанесение флюса, предварительный прогрев, отмывка от излишков флюса и высушивание. Плата контактирует с волной припоя короткое время, что снижает воздействие высокой температуры. Благодаря быстрой передаче тепла пайка волной весьма эффективна при монтаже компонентов установленных в металлизированные отверстия. Минусы технологии: значительная масса припоя постоянно находящегося в ванне 100…500 кг, значительные размеры оборудования около нескольких метров, большое окисление припоя. Применение технологии пайки волной выдвигает определенные требования к разработке платы. Правильная трассировка проводящего рисунка уменьшает вероятность появления дефектов пайки.

     Платы приходится защищать от волны припоя. Для этого на плату наносится слой водорастворимой пленки. Для переноса флюса на нижнюю поверхность платы его вспенивают или используют распыление. Пайку расплавленным припоем обеспечивает постоянно присутствующая стационарная волна. Платы с установленными элементами двигаются поперек волны. Наилучшие результаты позволяет достичь настройка наклона конвейера и параметров волны. Угол наклона конвейера находится в диапазоне 5…9°. Скорость перемещения плат выбирается, ориентируясь на конструкцию собираемого модуля, времени пайки примененных компонентов, темпа работы производства, температуры предварительного нагрева. Движение собираемых модулей происходит со скорость около одного метра в минуту. Оставшиеся излишки припоя сдуваются узкой струей горячего воздуха. Очистка от лишнего припоя воздухом получила название – воздушный нож.

     Для формирования паек скелетной формы и высокой разрешающей способности припой на области пайки должен наносится равномерно тонким слоем. Применяют различные волны различных профилей: плоскую волну или широкую, вторичную или «отраженную», дельта-волну, лямбда-волну, омега-волну. Различное количество волн позволяет разделить оборудование на категории: с одной, двумя и тремя волнами.

Две волны припоя.

     При технологии двух волн одна волна делается узкой и турбулентной. Энергичное перемещение припоя в первой волне исключает образование пустот в пайках, вызванных испарением флюса. Вторая волна очищает плату от излишков припоя и завершает формирование паек правильной формы. Температура пайки находится в диапазоне 235…260°С. Снижение температуры пайки создает более щадящий термический режим для деталей собираемого модуля. Высокая температура необходима при использовании бессвинцовых припоев и монтаже многослойных плат. Для исключения окисления соединяемых поверхностей пайка производится в среде азота.

     Волну припоя создают механическими и электромагнитными нагнетателями, подачей газа, ультразвуковыми колебаниями. Механический нагнетатель работает следующим образом. В камеру с соплом с помощью крыльчатки постоянно нагнетают расплавленный припой. Крыльчатка приводится в движение электродвигателем. Высота волны регулируется изменением скорости вращения вала электродвигателя. Есть более простой способ создать волну припоя. Для этого используется газ, под давлением подаваемый в замкнутую полость. Но у этого способа есть и недостатки. Интенсивное движение воздуха через припой приводит к окислению припоя. Использование инертного газа неоправданно экономически.

     Когда припой контактирует с проводящим рисунком платы и выводами компонентов, то в припое растворяется небольшое количество меди. Небольшое содержание меди в припое может нарушить эвтектику сплава. Температура плавления припоя увеличивается, происходят холодные пайки. Для исключения этого явления в состав припоя включается медь и висмут. Медь предварительно добавляют в припой до насыщения и дальнейшее увеличение содержания меди в припое невозможно, а висмут снижает температуру плавления припоя.

Селективная пайка с помощью сопла.

     Селективная пайка появилась в девяностых годах. Селективная пайка — относительно новая технология, позволяющая производить избирательный монтаж только выводных компонентов. Метод требует минимум доработок для оптимизации печатных плат под данную технологию и позволяет монтировать большинство существующих типов выводных компонентов. Производительность монтажа в несколько раз выше, по сравнению с ручным монтажом.

     Отличием селективной пайки от пайки волной является нагрев платы только в области пайки как при пайке паяльником. Удобно применять селективную пайку при сборке электронного модуля, содержащего планарные и малое количество выводных компонентов. Сейчас благодаря снижению использования выводных компонентов селективная пайка применяется все чаще. При сравнении с пайкой волной селективная пайка экономически более выгодна. По сравнению с пайкой волной селективная пайка не приводит к лишнему нагреву платы и позволяет применять больше типов компонентов, снизить вероятность появления дефектов, уменьшить подготовку к монтажу, исключается защитная маска, уменьшается износ оборудования отмывки плат. Внедрение селективной пайки позволяет сократить количество операций с платами, уменьшить время монтажа, уменьшить объем ручной работы. Возможна пайка разными припоями.

     Селективная пайка проводится в несколько этапов. Вначале наносится флюс. Затем происходит подогрев флюса для подсушивания, активации и предотвращения термоудара при пайке. Последний этап – нанесения припоя. Весь процесс автоматизирован и происходит в специальной установке. Плата автоматически перемещается, проходя все этапы селективной пайки, начиная с нанесения флюса.

     Технологии селективной пайки можно разделить на два основных типа в зависимости от применяемой головки с припоем. К одному типу технологии можно отнести использование сопла с припоем, над которым перемещается паяемая плата и происходит пайка всех точек поочередно. Ко второму типу можно отнести использование оснастки, образующей миниволны на нескольких соплах одновременно, расположенных в областях паек. Первый тип технологии более подходит для производства малых партий электронных модулей, второй для крупных партий. Пайка может осуществляться в среде азота.

     Нанесение флюса выполняется тремя наиболее распространенными методами.

     Флюсующий узел аналогичен головке струйного принтера и позволяет наносить флюс малыми порциями. В отличие от принтера узел нанесения флюса перемещается по плоскости как перо графопостроителя. Флюсуются только области пайки. Электромагнитный насос без механических деталей подает флюс в форсунку. Микрокапельная форсунка исключает попадание флюса на участки платы, расположенные вокруг области пайки. Точность нанесения флюса позволяет исключить операцию отмывки.

     Флюсование распылением наносит флюс на всю плату. Количество форсунок наносящих флюс варьируется для каждого производимого электронного модуля.

     Флюсование окунанием происходит с помощью ванны и адаптера с выдвижными насадками. Адаптер изготавливается для каждого производимого модуля индивидуально. Все области паек покрываются флюсом одновременно. Нанесение флюса окунанием актуально при изготовлении крупной партии. Адаптер с насадками меняется при переходе на другую плату. Применение насадок обеспечивает хорошее нанесения флюса точно на область пайки. Флюс хорошо наносится даже на труднодоступные точки пайки.

     Нагрев платы выполняется различными нагревательными узлами.

Предварительный нагрев платы.

     Инфракрасный нагрев выполняется с помощью нагревателей имеющих диапазон излучения от средних до коротких волн. Мощность каждого нагревателя измеряется в киловаттах. Нагрев может быть задан в соответствии с конструкцией печатного узла.

     Нагревание кварцевыми излучателями и устройствами направленной конвекции. При использовании таких излучателей число задействованных источников тепла задается согласно ширине платы.

     Пайка может выполняться одним соплом или множественной миниволной.

     При технологии одного сопла плата перемещается с высокой точностью и позиционируется над соплом головки с припоем. Имеется возможность контролировать параметры каждого отдельного паяного соединения: высота насадки, волны, время нахождения в волне припоя и другие. На пайки в соответствии с программой расходуется строго заданное количество припоя.

Сопло для селективной пайки миниволной.

     Различные сопла внутренним диаметром 1,5…20 мм позволяют сделать процесс пайки адаптируемым к производству большинства возможных электронных модулей. Если пайка производится в среде азота, то азот подается непосредственно в зону пайки.

Приспособление для селективной пайки множественной миниволной.

     Пайка множественной миниволной обеспечивает повышенную производительность. Множественная миниволна пропаивает все необходимые точки пайки одновременно, и при этом качественно обрабатываются даже труднодоступные точки. При пайке множественной миниволной паяемые поверхности отлично смачиваются, образование перемычек минимально.

     Селективная пайка уникальна тем, что нанесение флюса происходит точечно и дозированно, флюс выгорает в процессе пайки и отмывка остатков флюса не требуется. Это позволяет экономить на технологическом процессе отмывки плат. Таким образом исключается необходимость затрат на оборудование для отмывки. Развиваются системы селективной пайки лазером и горячим газом.

intellect.ml

Подготовка проекта под автоматический монтаж печатных плат

Во многом качество SMT-монтажа обеспечивается еще на этапе проектирования печатного узла. Для того чтобы уменьшить вероятность возникновения проблем при монтаже, а также снизить его стоимость, необходимо учитывать требования предприятия, производящего монтаж. Их соблюдение позволит получить наиболее полную реализацию тех преимуществ, которые заключает в себе технология поверхностного монтажа.
Поэтому уделим внимание тем вопросам разработки, которые непосредственно отражаются на процессе и качестве монтажа. Некоторые из приведенных здесь сведений носят общий характер и применимы к любому производству. Они основаны на рекомендациях и стандартах организаций IPC (Institute for Interconnecting and Packaging Electronic Circuits) и JEDEC (Joint Electronic Device Engineering Council). Другие сведения были получены нашими специалистами на основе собственного опыта работы с нашим оборудованием. В любом случае применение изложенной информации на практике поможет смонтировать ваши изделия более качественно, быстро и эффективно.

Содержание

Размещение компонентов

Наше оборудование позволяет размещать компоненты с минимальным расстоянием друг от друга 0,2 мм, а от края платы – 1 мм (при условии наличия технологических полей на заготовке). Но использование максимальных технических возможностей не всегда оправдано. В данном случае, слишком близкое размещение компонентов очень сильно снижает ремонтопригодность изделия, оптическую инспекцию компонентов, проверку паяных соединений. Близкое расположение компонентов, разных по размерам и теплоемкости может сказываться на качестве пайки.
Кроме того, важно учитывать, что размеры корпусов многих компонентов выходят за размеры контактных площадок, поэтому при создании графики компонентов желательно прорисовывать их реальные габариты или зону, занимаемую компонентом, с учетом пространства, необходимого для инспекции и ремонта. Это поможет правильному размещению компонентов и позволит избежать ошибок.

Рекомендуемые зазоры – 0,6…0,8 мм между чип-компонентами; 1 мм – между чип-компонентами и крупными элементами платы и 1,2…1,5 мм – между микросхемами и крупными компонентами, и 1,5мм между SMD и выводными компонентами (см. рис.1).
Ориентация компонентов не имеет значения, т.к. на нашем предприятии метод пайки волной припоя не применяется.

Некоторые разработчики, не раздумывая, спешат располагать SMD-компоненты на обеих сторонах печатной платы. В этом случае изделие дважды проходит стадию монтажа, для него дважды пишутся программы на оборудование, дважды происходит его переналадка, изготавливается два трафарета и т.д. Это стоит делать только в том случае, если габариты самой платы, всевозможные ограничения на зазоры между проводниками, контактными площадками и другими элементами платы и прочие требования не оставляют выбора. Помните, что стоимость монтажа каждой стороны платы рассчитывается как за отдельное изделие. Кроме того, значительно возрастает стоимость тестового оборудования для проверки таких печатных плат.

В том случае, если одностороннее размещение компонентов невозможно, рекомендуется небольшие, например, пассивные, компоненты разместить на одной стороне платы, а микросхемы и другие «тяжелые» компоненты – на другой стороне.
На рисунке ниже приведена классификация размещения элементов на сторонах печатной платы по IPC.

Контактные площадки.

Чтобы избежать перетекания припоя, произвольного смещения компонентов и других дефектов пайки, нельзя допускать расположения переходных отверстий на контактных площадках элементов или в непосредственной близости от них. Как уже говорилось, необходимо, чтобы контактные площадки компонентов были отделены от переходных отверстий, других контактных площадок и т.д. паяльной маской.
Подобное правило очень важно для микросхем с малым шагом выводов – их контактные площадки обязательно должны быть разделены маской. Сами переходные отверстия, расположенные в непосредственной близости от контактных площадок, желательно закрыть паяльной маской.

Элементы, расположенные внутри полигонов, должны быть отделены от них термобарьерами. Это позволит избежать неравномерного прогрева разных контактных площадок одного и того же компонента во время пайки и, как следствие, смещения этого компонента, дефектов «холодной пайки», «надгробного камня» и т. д.
Так же желательно соединять контактные площадки и широкие проводники не напрямую, а узким проводником. Параметры этого соединительного проводника выбираются в зависимости от проходящего по нему тока. Это позволит избежать эффекта «холодной пайки».

Одним из наиболее важных моментов при проектировании печатных узлов является соблюдение форм и размеров контактных площадок. Именно несоответствие этих параметров зачастую приводит к возникновению таких нежелательных явлений, как эффект «надгробного камня» или «транспаранта», непропай одного из выводов компонента, отсутствие контакта в паяном соединении, недопустимо большое смещение элемента. Поэтому при проектировании изделия необходимо учитывать рекомендации производителей компонентов, пользоваться их спецификациями, а для наиболее распространенных компонентов – стандартами IPC и JEDEC, и в частности, новым стандартом IPC-7351A, регламентирующим размеры контактных площадок и другие параметры печатных узлов, критичные для поверхностного монтажа плат.

Микросхемы в корпусах BGA

При проектировании контактных площадок под компоненты в корпусе BGA мы настоятельно рекомендуем внимательно ознакомиться и следовать рекомендациям разработчиков микросхем. Среди общих моментов, касающихся контактных площадок таких компонентов, можно выделить следующее.
Контактные площадки BGA, также как и других компонентов, должны быть изолированы термобарьерами от полигонов питания и «земли».
Переходные отверстия должны быть отделены проводником и закрыты маской.
Различают два типа контактных площадок под BGA в зависимости от вскрытия вокруг них паяльной маски: NSMD – Non Solder Mask Defined – не определенные вскрытием от паяльной маски, и SMD – Solder Mask Defined, то есть определенные паяльной маской. В первом случае площадка и небольшая область вокруг нее полностью вскрыты от маски (Рис.5а). Во втором случае вскрытие от маски выполняется с небольшим покрытием контактной площадки маской (Рис.5б).

Первый вариант обеспечивает большую прочность паяного соединения, за счет большей площади контакта и контакта с боковыми сторонами контактной площадки, а так же лучшее центрирование компонента и является более гибким и технологичным, как при производстве печатных плат так и при монтаже.
Преимуществом второго варианта является повышение прочности соединения самой контактной площадки и диэлектрика печатной платы. Его применение оправдано, если в процессе дальнейшей сборки, тестирования или эксплуатации плата может подвергаться значительным изгибам или другому физическому напряжению, а так же при эксплуатации при высоких перепадах температуры или если изделие будет проходить очень жесткие температурные испытания.
Если в документах производителя нет специальных указаний на тип площадки, рекомендуется применять NSMD тип.

Особенностью микросхем BGA является то, что их выводы скрыты под корпусом, что затрудняет проверку качества их монтажа. Основным средством инспекции паяных соединений таких микросхем является рентгеноскопический контроль. Но и в этом случае некоторые дефекты, даже такие как непропай отдельных выводов бывает сложно обнаружить. Для того, что бы повысить эффективность контроля пайки этих микросхем рекомендуется придавать контактным площадкам специальную форму (Рис.6).
При использовании таких контактных площадок паяное соединение принимает характерную форму, что значительно повышает эффективность проверки, особенно в автоматическом режиме.

Реперные метки

На каждой плате необходимо предусмотреть наличие как минимум трех реперных меток, необходимых для систем технического зрения автоматического оборудования.
Реперные метки должны представлять собой круглые площадки диаметром 1 мм, вскрытые от маски на диаметре 3-4 мм. (Рис.7)
Они должны располагаться по углам платы (но несимметрично) и быть максимально удалены друг от друга (Рис.8).
Желательно, чтобы проводники, контактные площадки, переходные, крепежные отверстия и другие элементы печатной платы располагались не ближе 5 мм от центра реперных меток.
Если на плате недостаточно места для размещения реперных меток, они должны быть размещены на технологических полях, что повлечет за собой увеличение их площади (Рис.9).

Полигоны

Если на плате размещаются большие металлизированные полигоны, то их желательно размещать с обеих сторон платы насколько возможно равномерно, и выполнять в виде сетки из проводников. Это необходимо для предотвращения деформации платы при ее производстве и монтаже, при нагреве в печи оплавления.

Размеры плат и групповых заготовок

Для оптимизации автоматического монтажа применяется объединение нескольких небольших плат в одну мультизаготовку. Допустимые размеры печатного узла или мультиплицированной заготовки, состоящей из нескольких одинаковых плат, зависят от параметров оборудования, на котором будет производиться сборка. Для оборудования, которое применяет наша фирма, эти размеры должны находиться в пределах от 50 x 50 мм до 320 x 240 мм (допускаются отклонения в большую сторону, но это необходимо согласовать с нашими технологами). При этом рекомендуемое отношение длины к ширине групповой заготовки примерно 3 : 2.

Технологические поля

Наше оборудование позволяет осуществлять монтаж отдельных плат или групповых заготовок, не имеющих специальных технологических отверстий и полей. Однако в этом случае по длинным сторонам платы компоненты должны быть расположены не ближе 5 мм от края. Если поверхностно-монтируемые элементы размещены с обеих сторон платы, это правило должно соблюдаться и для второй стороны. В противном случае по длинным сторонам платы или мультизаготовки необходимо разместить технологические поля шириной 5 мм.

Разделение заготовок на платы

Для разделения плат между собой и технологическими полями существует два метода: скрайбирование и фрезеровка по контуру платы. В первом случае по прямым линиям раздела плат и полей наносятся надрезы, которые оставляют в этих местах перемычку, размер которой определяет как жесткость всей заготовки в целом, так и легкость ее последующего разделения. Если платы будут монтироваться на автоматических линиях, используют более толстые перемычки (Рис.11a), для обеспечения более высокой жесткости заготовки в целом. Для разделения плат в последующем используется специализированное оборудование, не создающее стрессовых нагрузок на печатную плату.

Для ручного монтажа и разделения эти перемычки делаются значительно тоньше (Рис.11б), что обеспечивает легкое ручное разделение без последствий для печатной платы или спаянного изделия.

Если плата имеет сложный контур или требуется высококачественная и точная обработка этого контура, то разделение плат выполняется методом фрезеровки с формированием перемычек между платами и полями, которыми они объединяются в заготовку (Рис.12). По краям этих перемычек делается ряд отверстий, облегчающих их последующее разделение.

Для таких случаев необходимо на контуре платы предусмотреть места для размещения минимум 3-х – 4-х таких перемычек.

Подобный метод так же необходимо применять в случаях, когда на платы устанавливаются поверхностно монтируемые разъемы (USB, SIM, карт памяти и т.д.), габариты которых выходят за край платы. Иначе, при применении скрайбирования, корректное разделение заготовок на специализированном оборудовании будет невозможно.

Финишные покрытия

Современные технологии изготовления печатных плат предоставляют широкие возможности по выбору финишного покрытия плат в зависимости от тех или иных особенностей или параметров изделия. В данном разделе мы коснемся некоторых свойств наиболее распространенных финишных покрытий, которые отражаются на монтаже изделий.

Наиболее популярным на сегодняшний день остается покрытие на основе сплава олово-свинец (ПОС-63). Способ нанесения и выравнивания припоя на поверхности контактных площадок и открытых участков меди называют HASL (или HAL) – Hot Air Solder Leveling, т.е. выравнивание припоя горячим воздухом. Это покрытие давно и хорошо зарекомендовало себя благодаря отличной паяемости, высокой прочности паяных соединений, долгим сохранением свойств до пайки, высокой ремонтопригодностью сборок с таким покрытием. Вместе с тем это покрытие обладает значительной неплоскостностью и неравномерной толщиной покрытия на контактных площадках разного размера и ориентации, что может вызвать проблемы при монтаже ряда современных компонентов, таких как BGA, QFN, компоненты с термальными выводами под корпусом и компоненты с малым шагом выводов.

Если на печатной плате присутствуют такие компоненты, то в качестве финишного покрытия лучше выбрать одно из т.н. иммерсионных покрытий: ENIG (electroless nickel/immersion gold, иногда обозначается ImAu) – химический никель/иммерсионное золото, ImSn – иммерсионное олово, ImAg – иммерсионное серебро. Благодаря применению данных покрытий контактные площадки на плате получаются идеально ровными, что облегчает монтаж компонентов с шариковыми выводами, безвыводных компонентов и других современных типов корпусов.

Достоинствами иммерсионного золочения является хорошая паяемость, золото хорошо растворяется в припое и неподвержено быстрому потускнению и окислению, высокая долговечность покрытия. Иммерсионное серебро – относительно недорогое и очень технологичное покрытие с отличной паяемостью и высокой прочностью паяных соединений. Отличное покрытие для производства клавиатур и сенсорных панелей. Покрытие из иммерсионного олова хорошо подходит для коммутационных плат, а благодаря толстому слою покрытия и хорошей скользящей поверхности это, пожалуй, лучшее покрытие для установки разъемов по технологии Press-Fit.

Важно отметить, что все перечисленные типы покрытий, кроме HASL, соответствуют требованиям директивы RoHS, направленной на ограничение использования свинца в электронной промышленности, и пригодны для бессвинцовой пайки. Также в последнее время получило распространение органическое защитное покрытие — OSP – organic solderability preservative. Его основное отличие от вышеописанных методов в том, что вместо металлов непосредственно на медные контактные площадки наносится органический слой, защищающий медь от окисления. При пайке этот слой полностью растворяется. Данное покрытие, как в прочем и любое другое, имеет ряд недостатков: короткий срок хранения до пайки, паяемость ниже вышеописанных, его не рекомендуется применять для высокочастотных изделий, наличие непроводящего слоя может вызвать проблемы с внутрисхемным электрическим тестированием и т.д. Но по некоторым данным прочность паяных соединений на таких покрытиях даже выше чем у HASL-покрытий и иммерсионного золота. Плоскостность контактных площадок, которую обеспечивает OSP, очень высока, поэтому данное покрытие прекрасно подходит для установки компонентов типа BGA, безвыводных компонентов и компонентов с малым шагом выводов.

Несмотря на то, что требования директивы RoHS на Россию не распространяются, они оказывают косвенное влияние на российских производителей. Очень многие производители электронных компонентов или полностью перешли на производство компонентов с бессвинцовыми выводами или осуществляют постепенный переход на таковые. Сейчас зачастую очень сложно бывает укомплектовать то или иное изделие только обычными или только бессвинцовыми компонентами. И хотя монтаж одновременно и тех и других компонентов является не вполне корректным, порой этого избежать просто не удается, но благодаря применению соответствующих материалов и параметров технологических процессов в таких случаях все-таки удается получить стабильную качественную пайку.

В случаях, когда содержание свинца в устройстве не имеет значения, можно выбирать любое финишное покрытие контактных площадок. Если же речь идет о бессвинцовой технологии, то в качестве покрытий рекомендуются иммерсионные золото или серебро, OSP или т.н. бессвинцовое лужение (Lead-Free HASL).

www.rezonit.ru

Печатный монтаж Википедия

Печатная плата со смонтированными на ней электронными компонентами. Гибкая печатная плата с установленными деталями объёмного и поверхностного монтажа. Чертеж платы в CAD-программе и готовая плата Две макетных платы для микроконтроллера ATmega8. На левой плате: сверху место для силовых транзисторов, под ним разъём программатора. В центре место для микросхемы, слева от неё — место для кварца. По кромке платы проведены дорожки питания и «земли».

Печа́тная пла́та (англ. printed circuit board, PCB, или printed wiring board, PWB) — пластина из диэлектрика, на поверхности и/или в объёме которой сформированы электропроводящие цепи электронной схемы. Печатная плата предназначена для электрического и механического соединения различных электронных компонентов. Электронные компоненты на печатной плате соединяются своими выводами с элементами проводящего рисунка обычно пайкой.

Устройство

В отличие от навесного монтажа, на печатной плате электропроводящий рисунок выполнен из фольги, целиком расположенной на твердой изолирующей основе. Печатная плата содержит монтажные отверстия и контактные площадки для монтажа выводных или планарных компонентов. Кроме того, в печатных платах имеются переходные отверстия для электрического соединения участков фольги, расположенных на разных слоях платы. С внешних сторон на плату обычно нанесены защитное покрытие («паяльная маска») и маркировка (вспомогательный рисунок и текст согласно конструкторской документации).

Виды печатных плат

В зависимости от количества слоёв с электропроводящим рисунком печатные платы подразделяют на:

  • односторонние (ОПП): имеется только один слой фольги, наклеенной на одну сторону листа диэлектрика.
  • двухсторонние (ДПП): два слоя фольги.
  • многослойные (МПП): фольга не только на двух сторонах платы, но и во внутренних слоях диэлектрика. Многослойные печатные платы получаются склеиванием нескольких односторонних или двухсторонних плат[1]

По мере роста сложности проектируемых устройств и плотности монтажа увеличивается количество слоёв на платах[1].

По свойствам материала основы:

Печатные платы могут иметь свои особенности в связи с их назначением и требованиями к особым условиям эксплуатации (например, расширенный диапазон температур) или особенности применения (например, платы для приборов, работающих на высоких частотах).

Материалы

Основой печатной платы служит диэлектрик, наиболее часто используются такие материалы, как стеклотекстолит, гетинакс.

Также основой печатных плат может служить металлическое основание, покрытое диэлектриком (например, анодированный алюминий), поверх диэлектрика наносится медная фольга дорожек. Такие печатные платы применяются в силовой электронике для эффективного теплоотвода от электронных компонентов. При этом металлическое основание платы крепится к радиатору.

В качестве материала для печатных плат, работающих в диапазоне СВЧ и при температурах до 260 °C, применяется фторопласт, армированный стеклотканью (например, ФАФ-4Д)[2], и керамика.

Гибкие платы делают из полиимидных материалов, таких как каптон.

Конструирование

Конструирование плат происходит в специализированных программах автоматизированного проектирования. Наиболее известны P-CAD, OrCAD, TopoR, Altium Designer, Specctra, Proteus, gEDA, KiCad и др.[3] Сам процесс конструирования в русском языке часто именуют сленговым словом разводка, подразумевая процесс прокладки проводников.

Нормативы

В России существуют нормативы на конструкторскую документацию печатных плат в рамках Единой системы конструкторской документации:

  • ГОСТ 2.123-93 «Единая система конструкторской документации. Комплектность конструкторской документации на печатные платы при автоматизированном проектировании.»
  • ГОСТ 2.417-91 «Единая система конструкторской документации. Платы печатные. Правила выполнения чертежей.»

Другие стандарты на печатные платы:

  • ГОСТ Р 53386-2009 «Платы печатные. Термины и определения.»
  • ГОСТ Р 53429-2009 «Платы печатные. Основные параметры конструкции.» Этот ГОСТ задает классы точности печатных плат и соответствующие геометрические параметры. Также нормируются основные электрические параметры проводников и диэлектриков. Всё ещё часто упоминается предшественник этого стандарта — ГОСТ 23751-86.
  • ГОСТ 23752-79 «Платы печатные. Общие технические условия.» Стандарт регламентирует такие параметры как коробление печатных плат, условия и параметры нормоконтроля, электрические параметры материалов.

Типовой процесс

Рассмотрим типовой процесс разработки платы из готовой принципиальной электрической схемы: [4]

  • Подготовка к конструированию:
    • Импорт принципиальной электрической схемы в базу данных САПР конструирования печатной платы. Как правило, подготовка схемы выполняется в отдельной схемотехнической САПР. Некоторые пакеты САПР содержат компоненты как схемотехники, так и конструирования. Другие САПР ПП не имеют схемотехнической САПР в своем составе, только импортируя схемотехнику популярных форматов.
    • Ввод в САПР компонентов (чертежей каждого компонента, расположения и назначения выводов и др). Обычно при этом используются готовые библиотеки компонентов, поставляемые разработчиками САПР.
    • Уточнение у будущего изготовителя печатной платы его технологических возможностей (имеющиеся материалы, количество слоев, класс точности, допустимые диаметры отверстий, возможность покрытий и т. п.). На основании этих данных производится предварительный выбор материала платы, количества слоев металлизации, толщины материала и фольги, класс точности и они же являются исходными данными для конфигурирования DRC (см ниже) используемыми как для автоматической разводки так и  для проверки разведенной платы. Чаще всего оптимален стеклотекстолит толщиной 1,5 мм с фольгой толщиной 18 или 35 мкм.
  • Конструирование платы:
    • Определение конструктива печатной платы (габаритов, точек крепления, допустимых высот компонентов). Вычерчивание габаритов (краёв) платы, вырезов и крепежных отверстий, областей запрета размещения компонентов. Размещение конструктивно-привязанных деталей: разъёмов, индикаторов, кнопок и др. Определение правил расположения критичных проводников: выделение областей прокладки сильноточных проводников и шин питания; компоновка высокочастотных и дифференциальных линий, определение методов прокладки и экранировки чувствительных к помехам цепей и цепей — источников помех.[5]
    • Выполнение автоматического или ручного размещения компонентов. Обычно стремятся разместить все компоненты на одной стороне платы, поскольку двусторонний монтаж деталей заметно дороже в производстве.
    • Запуск автоматического трассировщика. При неудовлетворительном результате — переразмещение компонентов. Эти два шага зачастую выполняются десятки или сотни раз подряд. В некоторых случаях трассировка печатных плат (отрисовка дорожек) производится вручную полностью или частично.
    • Проверка платы на ошибки (DRC, Design Rules Check): проверка на зазоры, замыкания, наложения компонентов и др.
    • В некоторых случаях требуется расчет механических свойств полученной печатной платы: частоты собственного механического резонанса и ударной прочности. При необходимости изменяют опорные точки платы или размещение тяжелых компонентов.
  • Создание выходной документации:
    • Экспорт файла в формат, принимаемый изготовителем печатных плат, например Gerber.
    • Подготовка сопроводительной записки, в которой, как правило, указывают тип фольгированного материала, диаметры сверления всех типов отверстий, вид переходных отверстий (закрытые лаком или открытые, луженые), области гальванических покрытий и их тип, цвет паяльной маски, необходимость маркировки, способ разделения плат (фрезеровка или скрайбирование) и т. п.

Типичные ошибки конструирования

Производители печатных плат часто сталкиваются с неочевидными ошибками конструирования начинающими инженерами. Наиболее типичные ошибки[6]:

  • Неверный выбор диаметра сверления отверстий для монтажа компонентов. В процессе изготовления платы часть просвета отверстия уйдет на металлизацию, что может приводить к невозможности нормального монтажа компонента.
  • Ошибки в согласовании требуемого размера контура печатной платы с методом его обработки. Разные методы обработки контура требуют соответствующего припуска.
  • Ошибки при выборе отдельных размеров проводников, зазоров, отверстий, окантовки отверстий и т. п. Эти размеры определяют класс точности, а, значит, цену и сроки изготовления плат. Даже один элемент с ошибочно малым размером может переквалифицировать класс точности всей платы.
  • Неравномерное распределение дорожек, полигонов и точек пайки на крупногабаритных печатных платах может приводить к короблению плат после пайки в печах.
  • Отсутствие термозазора вокруг точек монтажа компонентов при подключении к крупным заливкам фольгой (полигонам или широким дорожкам) приводит к затруднениям и браку при пайке: медь является эффективным теплоотводом и затрудняет прогрев места пайки.
  • Для плат, подлежащих лакированию, следует учитывать требования к расположению разъемов и других не подлежащих лакированию компонентов. В противном случае растет процент брака при попадании лака на контакты разъемов.

Изготовление

Изготовление ПП возможно аддитивным или субтрактивным методом. В аддитивном методе проводящий рисунок формируется на нефольгированном материале путём химического меднения через предварительно нанесённую на материал защитную маску. В субтрактивном методе проводящий рисунок формируется на фольгированном материале путём удаления ненужных участков фольги. В современной промышленности применяется исключительно субтрактивный метод.

Весь процесс изготовления печатных плат можно разделить на четыре этапа:

  • Изготовление заготовки (фольгированного материала).
  • Обработка заготовки с целью получения нужных электрического и механического вида.
  • Монтаж компонентов.
  • Тестирование.

Часто под изготовлением печатных плат понимают только обработку заготовки (фольгированного материала). Типовой процесс обработки фольгированного материала состоит из нескольких этапов: сверловка переходных отверстий, получение рисунка проводников путём удаления излишков медной фольги, металлизация отверстий, нанесение защитных покрытий и лужение, нанесение маркировки.[7] Для многослойных печатных плат добавляется прессование конечной платы из нескольких заготовок.

Изготовление фольгированного материала

Фольгированный материал — плоский лист диэлектрика с наклеенной на него медной фольгой. Как правило, в качестве диэлектрика используют стеклотекстолит. В старой или очень дешёвой аппаратуре используют текстолит на тканевой или бумажной основе, иногда именуемый гетинаксом. В СВЧ-устройствах используют фторсодержащие полимеры (фторопласты). Толщина диэлектрика определяется требуемой механической и электрической прочностью, наибольшее распространение получила толщина 1,5 мм.

На диэлектрик с одной или двух сторон наклеивают сплошной лист медной фольги. Толщина фольги определяется токами, под которые проектируется плата. Наибольшее распространение получила фольга толщиной 18 и 35 мкм, гораздо реже встречаются 70, 105 и 140 мкм. Такие значения исходят из стандартных толщин меди в импортных материалах, в которых толщина слоя медной фольги исчисляется в унциях (oz) на квадратный фут. 18 мкм соответствует ½ oz и 35 мкм — 1 oz.

Алюминиевые печатные платы
Светодиод на алюминиевой печатной плате

Отдельную группу материалов составляют алюминиевые металлические печатные платы. Алюминиевые платы часто используются, когда требуется отводить тепло через поверхность платы, например — в светодиодных светильниках. Их можно разделить на две группы.

Первая группа — решения в виде листа алюминия с качественно оксидированной поверхностью, на которую наклеена медная фольга. Такие платы нельзя сверлить, поэтому обычно их делают только односторонними. Обработка таких фольгированных материалов выполняется по традиционным технологиям химического нанесения рисунка. Иногда вместо алюминия применяют медь или сталь, ламинированные тонким изолятором и фольгой. Медь имеет бо́льшую теплопроводность, нержавеющая сталь платы обеспечивает коррозионную стойкость.[8]

Вторая группа подразумевает создание токопроводящего рисунка непосредственно в алюминии основы. Для этой цели алюминиевый лист оксидируют не только по поверхности, но и на всю глубину основы согласно рисунку токопроводящих областей, заданному фотошаблоном.[9]

Обработка заготовки

Получение рисунка проводников

При изготовлении плат используются химические, электролитические или механические методы воспроизведения требуемого токопроводящего рисунка, а также их комбинации.

Химический способ

Химический способ изготовления печатных плат из готового фольгированного материала состоит из двух основных этапов: нанесение защитного слоя на фольгу и травление незащищенных участков химическими методами.

В промышленности защитный слой наносится фотолитографическим способом с использованием ультрафиолетово-чувствительного фоторезиста, фотошаблона и источника ультрафиолетового света. Фоторезистом сплошь покрывают медь фольги, после чего рисунок дорожек с фотошаблона переносят на фоторезист засветкой. Засвеченный фоторезист смывается, обнажая медную фольгу для травления, незасвеченный фоторезист фиксируется на фольге, защищая её от травления.

Фоторезист бывает жидким или пленочным. Жидкий фоторезист наносят в промышленных условиях, так как он чувствителен к несоблюдению технологии нанесения. Пленочный фоторезист популярен при ручном изготовлении плат, однако он дороже. Фотошаблон представляет собой УФ-прозрачный материал с распечатанным на нём рисунком дорожек. После экспозиции фоторезист проявляется и закрепляется как и в обычном фотохимическом процессе.

В любительских условиях защитный слой в виде лака или краски может быть нанесен шелкотрафаретным способом или вручную. Радиолюбители для формирования на фольге травильной маски применяют перенос тонера с изображения, отпечатанного на лазерном принтере («лазерно-утюжная технология»).

Под травлением фольги понимают химический процесс перевода меди в растворимые соединения. Незащищенная фольга травится, чаще всего, в растворе хлорного железа или в растворе других химикатов, например медного купороса, персульфата аммония, аммиачного медно-хлоридного, аммиачного медно-сульфатного, на основе хлоритов, на основе хромового ангидрида[10]. При использовании хлорного железа процесс травления платы идет следующим образом: FeCl3+Cu → FeCl2+CuCl. Типовая концентрация раствора 400 г/л, температура до 35°С. При использовании персульфата аммония процесс травления платы идет следующим образом: (NH4)2S2O8+Cu → (NH4)2SO4+CuSO4[10].

После травления защитный рисунок с фольги смывается.

Механический способ

Механический способ изготовления предполагает использование фрезерно-гравировальных станков или других инструментов для механического удаления слоя фольги с заданных участков.

Лазерная гравировка

До недавнего времени лазерная гравировка печатных плат была слабо распространена в связи с хорошими отражающими свойствами меди на длине волны наиболее распространенных мощных газовых СО лазеров. В связи с прогрессом в области лазеростроения сейчас начали появляться промышленные установки прототипирования на базе лазеров.[11]

Металлизация отверстий

Переходные и монтажные отверстия могут сверлиться, пробиваться механически (в мягких материалах типа гетинакса) или прожигаться лазером (очень тонкие переходные отверстия). Металлизация отверстий обычно выполняется химическим или, реже, механическим способом.

Механическая металлизация отверстий выполняется специальными заклепками, пропаянными отрезками провода или заливкой отверстия токопроводящим клеем (отверждаемой пастой). Механический способ дорог в производстве и потому применяется крайне редко, обычно — в высоконадежных штучных решениях, специальной сильноточной технике или радиолюбительских условиях при штучном исполнении.

При химической металлизации в фольгированной заготовке сначала сверлятся отверстия, затем они металлизируются осаждением меди и только потом производится травление фольги для получения рисунка печати. Химическая металлизация отверстий — многостадийный сложный процесс, чувствительный к качеству реактивов и соблюдению технологии. Поэтому в радиолюбительских условиях практически не применяется. Упрощенно состоит из таких этапов:

  • Нанесение на диэлектрик стенок отверстия проводящей подложки. Эта подложка очень тонкая, непрочная. Наносится химическим осаждением металла из нестабильных соединений, таких как хлорид палладия.
  • На полученную основу производится электролитическое или химическое осаждение меди.
  • В конце производственного цикла для защиты довольно рыхлой осажденной меди применяется либо горячее лужение, либо отверстие защищается лаком (паяльной маской). Нелуженые переходные отверстия низкого качества являются одной из самых частых причин отказа электронной техники.
Прессование многослойных плат

Многослойные платы (с числом слоев проводников более 2) собираются из стопки тонких двух- или однослойных печатных плат, изготовленных традиционным способом (кроме наружных слоев пакета — их на этом этапе оставляют с нетронутой фольгой). Их собирают «бутербродом» со специальными прокладками (препреги). Далее выполняется прессование в печи, сверление и металлизация переходных отверстий. В последнюю очередь делают травление фольги внешних слоев.[1] Поскольку толщина меди во внешних слоях увеличивается на величину гальванически осажденной меди при металлизации переходных отверстий, это накладывает дополнительные ограничения на ширину дорожек и зазоров между ними.

Переходные отверстия в таких многослойных платах могут также делаться до прессования. Если отверстия делаются до прессования, то можно получать платы с так называемыми «глухими» и «слепыми» отверстиями (когда отверстие есть только в одном слое «бутерброда»), что позволяет уплотнить компоновку для сложных плат. Себестоимость производства в этих случаях ощутимо возрастает, что требует разумного компромисса в проектировании такого рода плат.

Нанесение покрытий

Возможны такие покрытия, как:

  • Защитно-декоративные лаковые покрытия («паяльная маска»). Обычно имеет характерный зелёный цвет. При выборе паяльной маски следует учитывать, что некоторые из них непрозрачны и под ними не видно проводников.
  • Декоративно-информационные покрытия (маркировка). Обычно наносится с помощью шелкографии, реже — струйным методом или лазером.
  • Лужение проводников. Защищает поверхность меди, увеличивает толщину проводника, облегчает монтаж компонентов. Обычно выполняется погружением в ванну с припоем или волной припоя. Основной недостаток — значительная толщина покрытия, затрудняющая монтаж компонентов высокой плотности. Для уменьшения толщины излишек припоя при лужении сдувают потоком воздуха.
  • Химические, иммерсионные или гальванические покрытия фольги проводников инертными металлами (золотом, серебром, палладием, оловом и т. п.). Некоторые виды таких покрытий наносятся до этапа травления меди.[12][13]
  • Покрытие токопроводящими лаками для улучшения контактных свойств разъемов и мембранных клавиатур или создания дополнительного слоя проводников.

После монтажа печатных плат возможно нанесение дополнительных защитных покрытий, защищающих как саму плату, так и пайку и компоненты.

Механическая обработка

На одном листе заготовки зачастую помещается множество отдельных плат. Весь процесс обработки фольгированной заготовки они проходят как одна плата, и только в конце их готовят к разделению. Если платы прямоугольные, то фрезеруют несквозные канавки, облегчающие последующее разламывание плат (скрайбирование, от англ. scribe царапать). Если платы сложной формы, то делают сквозную фрезеровку, оставляя узкие мостики, чтобы платы не рассыпались. Для плат без металлизации вместо фрезеровки иногда сверлят ряд отверстий с маленьким шагом. Сверление крепежных (неметаллизированных) отверстий также происходит на этом этапе.

См. также: ГОСТ 23665-79 Платы печатные. Обработка контура. Требования к типовым технологическим процессам.

По типовому техпроцессу отделение плат от заготовки происходит уже после монтажа компонентов.

Монтаж компонентов

Пайка является основным методом монтажа компонентов на печатные платы. Пайка может выполняться как вручную паяльником, так и с помощью специально разработанных технологий групповой пайки.

Установка компонентов

Установка компонентов может выполняться как вручную, так и на специальных автоматах-установщиках. Автоматическая установка уменьшает вероятность ошибки и значительно ускоряет процесс (лучшие автоматы устанавливают несколько компонентов в секунду).

Пайка волной

Основной метод автоматизированной групповой пайки для выводных компонентов. С помощью механических активаторов создается длинная волна расплавленного припоя. Плату проводят над волной так, чтобы волна едва коснулась нижней поверхности платы. При этом выводы заранее установленных выводных компонентов смачиваются волной и припаиваются к плате. Флюс наносится на плату губчатым штемпелем.

Пайка в печах

Основной метод групповой пайки планарных компонентов. На контактные площадки печатной платы через трафарет наносится специальная паяльная паста (порошок припоя в пастообразном флюсе). Затем устанавливаются планарные компоненты. Затем плату с установленными компонентами подают в специальную печь, где флюс паяльной пасты активизируется, а порошок припоя плавится, припаивая компонент.

Если такой монтаж компонентов выполняется с двух сторон, то плата подвергается этой процедуре дважды — отдельно для каждой стороны монтажа. Тяжелые планарные компоненты устанавливаются на капельки клея, которые не позволяют им упасть с перевернутой платы во время второй пайки. Легкие компоненты удерживаются на плате за счет поверхностного натяжения припоя.

После пайки плату обрабатывают растворителями с целью удаления остатков флюса и других загрязнений, либо, при использовании безотмывочной паяльной пасты, плата готова сразу для некоторых условий эксплуатации.

Финишные покрытия

После пайки печатную плату с компонентами покрывают защитными составами: гидрофобизаторами, лаками (например, УР-231), средствами защиты открытых контактов. В отдельных случаях для работы платы в условиях сильных вибраций плата может быть целиком залита в резиноподобный компаунд.

Тестирование и контроль

Для массового промышленного производства печатных плат разработаны автоматизированные методики контроля качества. Для контроля качества обработки заготовки применяются электрические тесты на целостность проводников и отсутствие замыканий. При контроле качества монтажа электронных компонентов применяют оптические методы контроля.

Оптический контроль качества монтажа выполняется с помощью специализированных стендов с видеокамерами высокого разрешения. Стенды встраиваются в технологическую линию на этапах:

  • контроля рисунка проводников, контура печатной платы и диаметров отверстий.
  • контроля равномерности и дозировки нанесения паяльной пасты.
  • контроля точности установки компонентов.
  • контроля результатов пайки (оплавления припоя или пайки волной). Типовые дефекты пайки, выявляемые оптическими системами:
    • Смещение компонентов в процессе пайки.
    • Короткие замыкания.
    • Недостаток и избыток припоя.
    • Коробление печатных плат.

Сходные технологии

Подложки гибридных микросхем представляют собой нечто похожее на керамическую печатную плату, однако обычно используют другие техпроцессы:

  • Толстоплёночная технология: Шелкографическое нанесение рисунка проводников металлизированной пастой с последующим спеканием пасты в печи. Технология позволяет создавать многослойную разводку проводников благодаря возможности нанесения на слой проводников слоя изолятора теми же шелкографическими методами, а также толстоплёночные резисторы.
  • Тонкоплёночная технология: Формирование проводников фотолитографическими методами либо осаждение металла через трафарет.

Керамические корпуса электронных микросхем и некоторых других компонентов также выполняются с привлечением технологий гибридных микросхем.

Мембранные клавиатуры часто выполняют на пленках методом шелкографии и спекания легкоплавкими металлизированными пастами.

См. также

Примечания

Литература

  • Пирогова Е. В. Проектирование и технология печатных плат: Учебник. — М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2005. — 560 с. — (Высшее образование). — ISBN 5-16-001999-5. — ISBN 5-8199-0138-X.

Ссылки

wikiredia.ru

ПОВЕРХНОСТНЫЙ МОНТАЖ элементов на печатную плату — Конструирование и проектирование электронной аппаратуры

ПОВЕРХНОСТНЫЙ МОНТАЖ

 

     Развитие электроники сопровождается уменьшением размеров электронных компонентов. На современном этапе развития электроники с появлением компонентов, имеющих большое число выводов, стало ясно, что прежние методы разработки и сборки не могут удовлетворять сегодняшним требованиям производства электроники. Это привело к появлению планарных компонентов и поверхностного монтажа, что позволило в высокой степени автоматизировать сборочные процессы, достичь высокой плотности монтажа, снизить объем, вес и размеры. Сборку с применением одних планарных компонентов, устанавливаемых на проводящий рисунок платы, называют поверхностным монтажом. Сборка состоит из следующих этапов: перенос паяльной пасты, установка компонентов, расплавление пасты и контроль. Поверхностный монтаж обеспечивает высокую надежность изготавливаемой электроники.

Участок модуля, выполненного по технологии поверхностного монтажа.

     Широкое распространение поверхностный монтаж получил к концу восьмидесятых годов. Новизна заключается в использовании вместо компонентов на выводах, вставляемых в отверстия платы, применение компонентов припаиваемых к контактным площадкам, сформированным проводящим рисунком. Планарные компоненты не имеют выводов совсем или редко имеют короткие выводы. Отсутствие отверстий для установки компонентов снижает затраты на изготовление платы. Планарные компоненты унифицированы, в несколько раз меньше, вдвое дешевле выводных аналогов. Модули, собранные по технологии поверхностного монтажа имеют плотное размещение компонентов, малое расстояние между компонентами и контактными площадками. Уменьшение длины проводников улучшает передачу высокочастотных и слабых сигналов, уменьшается нежелательная индуктивность и емкость. Планарные радиоэлементы имеют низкую цену. Поверхностный монтаж сегодня распространен намного шире монтажа в отверстия. Постоянно снижается себестоимость сборки.

     Поверхностный монтаж обладает рядом недостатков. Жесткое крепление компонента за корпус к проводящему рисунку приводит к разрушению компонентов, подвергающихся воздействию перепадам температур. Модули, собранные из планарных компонентов боятся перегрева при пайке, сгибов и ударов. Эти воздействия приводят к трещинам компонентов. Разработчик печатных плат должен проектировать проводящий рисунок, обеспечивающий равную скорость нагревания контактов компонента благодаря симметричности тепловых полей. Технология групповой пайки включает в себя режим работы оборудования и технологическую оснастку обеспечивающие одинаковую скорость нагревания контактов каждого компонента для исключения брака. Требуется точно соблюдать требования переноса пасты на плату и режим работы паяльного оборудования. Повышаются требования к транспортировке и хранению планарных компонентов и материалов для монтажа. Отработка трассировки проводящего рисунка требует больше средств. Возрастают затраты на технологическую оснастку при выпуске опытных партий. Ремонт модулей собранных поверхностным монтажом требует специализированного инструмента.

     Нанесение пасты на контактные площадки выполняется дозатором при отработке макетного образца платы, а при серийном изготовлении модулей используется трафарет совместно с оснасткой.

     Трафарет изготавливается из металлической фольги, имеющей толщину от 0,075 до 0,2 мм с отверстиями прямоугольной, трапециевидной или круглой формы. может быть изготовлен из различных материалов: нержавеющей стали, никеля, бронзы. Чаще других материалов для изготовления трафарета применяется сталь.

Стальной трафарет.

     Чтобы обеспечить постоянство объема наносимой пасты и ее легкий выход на плату отверстия выполняют с закругленными углами. Металлические трафареты имеют продолжительный срок службы и позволяют быстро и точно нанести паяльную пасту или клей. Трафарет, выполненный из нержавеющей стали, имеет полированную поверхность, не нуждается в механической обработке, не растягивается. Расчетный срок службы исчисляется десятками тысяч проходов. Отверстия делают с помощью травления, вырезаются лазером или с помощью гальванопластики. При изготовлении лазерной резкой луч выжигает отверстие требуемого размера с отклонением не более 0,005 миллиметра. Другое преимуществом лазерной резки – возможность изменения конусности стенок отверстия. Трафареты, выполненные лазерной резкой, отличаются высокой точностью.

Изготовление трафарета с помощью лазера.

     Применение трафаретов позволяет использовать платы, изготавливаемые из различных материалов, они применимы для компонентов с расстоянием между выводами меньше 0,6 мм. Изготовление трафаретов травлением имеет некоторые недостатки. Отделение паяльной пасты затруднено из-за имеющегося в отверстиях уклона, возможно смыкание отверстий, при фотолитографии затруднено совмещение рисунков на двух сторонах заготовки трафарета.

     Для сокращения сроков изготовления модулей несколько плат объединяют в одну групповую плату. Для групповой платы изготавливается большой трафарет. Паста переносится на групповую плату через один трафарет за один проход.

Компоненты устанавливаются на групповую плату с помощью автомата.

     После переноса пасты на групповую плату на нее устанавливаются компоненты и выполняется расплавление пасты.

     Проектирование трафарета ведется в программах предназначенных для разработки печатных плат. Изготовление производится непосредственно по данным файла трафарета.

Графические данные файла трафарета, подготовленного в программном пакете разработки плат PCAD.

     Проектирование трафарета ведется, ориентируясь на проводящий рисунок платы и размеры рамки установки трафарета. Исходя из размеров рамки, имеющейся в распоряжении производства, рассчитывается сколько плат объединить в одну группу.

Трафарет установлен в рамку.

     Трафарет закрепляется между слоями рамки благодаря штырям, находящимся на нижнем слое. В файл трафарета вносятся отверстия, соответствующие расположению штырей рамки. Нанесение точного количества пасты снижает вероятность появления замыканий проводников.

Перенос пасты с помощью автоматического оборудования.

     Паяльная паста – густая смесь, состоящая из размельченного припоя и жидкого флюса. Пример сплава припоя: 61 % олова, 37 % свинца, 2 % серебра. Свойства пасты продиктованы составляющими композиции и размерами частиц порошка припоя. Чаще, производятся пасты, не требующие отмывки после пайки, или остатки флюса смываются водой. Пасты без свинца на основе канифоли применяются значительно реже. Паста должна храниться несколько месяцев без ухудшения свойств, должна обеспечивать качественное соединение компонентов и платы, при расплавлении не должны образовываться шарики припоя. Паста должна удерживать компоненты до пайки, не растекаться при предварительном нагреве, после пайки должен оставаться минимум флюса.

Перенос пасты на плату с помощью ракеля вручную.

     Перед нанесением пасты следует проверить совпадение отверстий трафарета с проводящим рисунком платы. Паста продавливается ракелем через отверстия. После нанесения пасты на плату трафарет чистится от остатков пасты. В результате на контактных площадках остается слой пасты, находящийся в центре контактной площадки. Ракели бывают различной конструкции и изготавливаются из резины, пластика или металла.

Дозатор пасты, управляемый электронным блоком.

     Ручной дозатор предназначен для нанесения паяльной пасты на контактные площадки платы. Вместо использования трафарета и сопутствующего оборудования паста наносится малыми порциями по очереди на контактные площадки при помощи дозатора. При использовании дозатора затрачивается больше времени, но не всегда есть возможность разрабатывать и изготавливать трафарет. В условиях мелкосерийного производства и при изготовлении макетных образцов удобно использовать дозатор. При этом объем наносимой пасты определяется оператором или блоком управления.

Паяльная паста нанесена на контактные площадки платы.

     Установка планарных компонентов на плату с нанесенной пастой может выполняться вручную или с помощью средств автоматизации. При ручной установке неизбежны ошибки в номиналах компонентов. Невозможно обеспечить верный и одинаковый прижим компонентов к пасте. Для исключения ошибок при сборке модулей применяют разную степень автоматизации.

Установка микросхемы с помощью полуавтомата.

     Полуавтомат установки компонентов помогает оператору собирать электронные модули. Полуавтомат осуществляет перемещение емкости с требуемым компонентом, лучом света указывает точку установки компонента и облегчает сборку другими способами, но установка компонента выполняется оператором. Это уменьшает вероятность брака при установке. По цене полуавтоматические установщики отличаются до шести раз. Их производительность находится в диапазоне 300…1000 компонентов в час и зависит от опыта оператора.

Установка компонентов полным автоматом.

     Полные автоматы используются в стабильно работающем производстве при выпуске больших партий модулей. Цена полного автомата определяется конфигурацией и функциями: поддерживаемые виды питателей, техническое зрение, разрешающая способность установки, темп работы, число головок и другие. Цена полного автомата составляет десятки тысяч долларов.

     Бесконтактная пайка. Для надежного соединения пайка должна занимать минимальное время при высоком смачивании поверхностей. Для этого нужны активные флюсы, не вызывающие коррозию. Противоречие между производительностью и надежностью можно разрешить при переходе к бесконтактным технологиям пайки. Это связано с необходимостью увеличения теплопроводности, которая выше у излучения. Использование бесконтактных технологий пайки способствует сокращению времени нагрева. Бесконтактная пайка исключает внесение примесей в припой. Исключается повреждение компонентов статическим электричеством.

     Расплавления пасты можно выполнять с помощью горячего воздуха, инфракрасного излучения, кварцевого нагрева и их комбинацией. Все большее распространение получает пайка с помощью лазерного луча. Температура соединений зависит от поглощения тепла компонентами и поверхности платы. Недостатком бесконтактных технологий пайки является зависимость нагрева области пайки от множества факторов.

     Инфракрасная пайка производится в специальных печах, которые можно разделить на два класса. Кабинетные печи: плата находится в печи неподвижно. Конвейерные печи: плата на конвейере перемещается через все зоны с различной температурой. Все чаще применяется пайка в инертном газе для снижения окисления.

Печь для расплавления паяльной пасты кабинетного типа
инфракрасного излучения с принудительной конвекцией воздуха.

     Для выполнения инфракрасной пайки предназначены печи, различные по конструкции, в основном, конвекционного типа. В таких печах нагрев платы и компонентов происходит интенсивным инфракрасным излучением, одновременно горячий воздух подается на платы и обеспечивает равномерный прогрев. Печь должна выдержать требуемый режим нагрева платы. Для правильного расплавления пасты недостаточно требуемой температуры. Под воздействием температуры в пасте происходит расплавление частиц припоя, флюс растворяет оксидную пленку на соединяемых поверхностях. Должно происходить поэтапное нагревание платы до точки расплавления и охлаждение по программе, записанной в памяти контроллера печи. Это предотвращает компоненты от термоудара и плату от коробления, улучшает прочность соединения.

     Недостатком печей является вибрация плат под действием интенсивного движения воздуха. Постоянное снижение габаритов электронных приборов приводит к сокращения размеров плат. Чем меньше плата, тем сильнее она подвержена перемещению воздушным потоком. В момент расплавления пасты компоненты плавают на поверхности расплавленного припоя и незначительной вибрации платы достаточно для смещения компонента или выпадения с платы. Потоки воздуха внутри печи движутся с различной интенсивностью. При изготовлении партии вся решетка занята платами и от загрузки к загрузке платы в одной и той же области печи вибрируют и лишаются компонентов. Изготовить оснастку для фиксации плат невозможно. Применить металл в условиях инфракрасного излучения нельзя – неизбежен перегрев плат в точках фиксации. Требуется керамика. Изготовление керамической оснастки для каждого вида плат дорого.

     Пайка с помощью луча лазера является наиболее перспективной из всех технологий пайки. Первая промышленная установка была создана в США в 1976 году с использованием газового лазера, а в 1982 году с использованием твердотельного лазера. Сегодня лазерная пайка более других технологий приблизилась к идеальной пайке. Благодаря концентрации мощности лазерным лучом в области диаметром около 0,1 мм, стало возможно паять компоненты чувствительные к нагреву и исключить коробление плат. Метод подходит для модулей с плотным расположением компонентов, у которых малое расстояние между выводами. При монтаже не образуются замыкания и шарики припоя. Отсутствие инерционности воздействия излучения позволяет вести нагрев импульсами малой длительности 1…10 мс и точно дозировать энергию. Имеется высокая стабильность температурно-временных режимов. Время непрерывной пайки составляет 0,3…0,8 с, температура 220…250 °С. Время импульсной лазерной пайки составляет 0,02…0,08 с, температура 250…300 °С. Изменяя энергию лазерного луча передаваемую в область пайки можно изменять температуру в широких пределах. Охлаждение при импульсной пайке происходит быстрее, чем при непрерывной пайке. Кратковременное воздействие луча лазера уменьшает окисление. Не требуется предварительный подогрев платы, что является большим преимуществом по сравнения с пайкой волной. Припой быстро расплавляется, смачивает поверхности и заполняет зазор, быстро остывает, что способствует хорошему соединению. Не требуется специальная газовая среда. Не требуются термостойкие клеи для двустороннего монтажа. Пайки имеют глянцевую поверхность и отличаются высоким качеством. Технология лазерной пайки позволяет создавать полные автоматы. Появляется возможность проводить селективную пайку, при которой отдельные компоненты устанавливаются позднее. Производительность монтажа может до 2000 паек в час.

     Недостатком, сдерживающим распространение лазерной пайки, является цена оборудования. Также сдерживает распространение потребность в новых флюсах и способах их дозирования.

     Лазерное излучение обеспечивает возможность прецизионной пайки планарных компонентов. Для пайки планарных компонентов применяют лазерные диоды и световоды.

     Проводятся исследования по совершенствованию лазерной пайки. Возможности этой технологии далеко не исчерпаны и есть основания ожидать знакомства с новыми гранями лазерной пайки. Известно увеличение активности поверхностей при импульсном лазерном воздействии. Ведется разработка пайки без флюса с применением модулированного лазерного излучения. Подъем производительности возможен при раздвоении луча или в результате применения методов для направления излучения на все соединения, относящиеся к одной микросхеме или на всю плату. Есть перспективы применения лазерной пайки при смешанном монтаже.

     Двусторонний поверхностный монтаж можно выполнять различными способами. Проблема заключается в том, что если нанести пасту на обе стороны, поставить компоненты и расплавить пасту, то делать этого нельзя. Компоненты на нижней стороне отвалятся. Поэтому вначале наносится паста и клей на одну сторону платы и устанавливаются компоненты. Затем производят оплавление пасты и полимеризацию клея. Плата переворачивается, наносится паста и устанавливаются компоненты на вторую сторону платы, после чего опять производится нагрев и расплавление пасты на второй стороне.

intellect.ml