Поверхностный монтаж

Поверхностный монтаж (SMD монтаж) — это технология изготовления электронных изделий на печатных платах, а также связанные с данной технологией методы конструирования печатных узлов.

Технологию поверхностного монтажа печатных плат также называют ТМП (технология монтажа на поверхность), SMT (англ. surface mount technology) и SMD-технология (от англ. surface mounted device — прибор, монтируемый на поверхность), а компоненты для поверхностного монтажа также называют «чип-компонентами». ТМП является наиболее распространённым на сегодняшний день методом конструирования и сборки электронных узлов на печатных платах. Основным отличием ТМП от «традиционной» технологии — сквозного монтажа в отверстия — является то, что компоненты монтируются на поверхность печатной платы только со стороны токопроводящих дорожек и для этого не требуются отверстия. Сквозной монтаж и ТМП могут комбинированно использоваться на одной печатной плате. Преимущества ТМП проявляются благодаря комплексу особенностей элементной базы, методов конструирования и технологических приёмов изготовления печатных узлов^[1].

Технология

Электронные компоненты, используемые для поверхностного монтажа, называют SMD-компонентами или КМП (от компонент, монтируемый на поверхность).

Технологический процесс;

Типовая последовательность операций в ТМП включает:

изготовление печатной платы;
нанесение паяльной пасты на контактные площадки платы:
- дозирование пасты из специального шприца вручную или на станке в единичном и мелкосерийном производстве;
- трафаретная печать в серийном и массовом производстве;
установка компонентов на плату;
групповая пайка методом оплавления пасты в печи (преимущественно методом конвекции, а также инфракрасным нагревом или нагревом в паровой фазе^[2]);
очистка (мойка) платы (выполняется или нет в зависимости от активности флюса) и нанесение защитных покрытий.

В единичном производстве, при ремонте изделий и при монтаже компонентов, требующих особой точности, как правило, в мелкосерийном производстве также применяется индивидуальная пайка струёй нагретого воздуха или азота.

Во время пайки важно обеспечить правильное изменение температуры во времени (термопрофиль), чтобы^[3]:

избежать термоударов;
обеспечить хорошую активацию флюса;
обеспечить хорошее смачивание поверхностей припоем.

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

Материалы

Одним из важнейших технологических материалов, применяемых при поверхностном монтаже, является паяльная паста (также иногда называемая «припойной пастой»). Паяльная паста представляет собой смесь порошкообразного припоя с органическими наполнителями, включающими флюс. Назначение паяльной пасты^[4]:

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

История

Различные электронные компоненты, большинство из них «традиционные» THT, несколько SMD

Технология поверхностного монтажа начала своё развитие в 1960-х годах, и получила широкое применение к концу 1980-х годов. Одним из первопроходцев в этой технологии была компания IBM. Электронные компоненты были изменены таким образом, чтобы уменьшить контактные площадки или выводы, которые паялись теперь непосредственно к поверхности печатной платы.

С развитием автоматизации, поверхностный монтаж (наряду со смешанным) стал доминировать (с 2000-х) в производстве электронной техники.

Преимущества поверхностного монтажа

С точки зрения технологии, у поверхностного монтажа следующие достоинства перед сквозным:

отсутствие либо очень малая длина выводов у компонентов: нет необходимости в их обрезке после монтажа;
меньшие габариты и масса компонентов;
нет необходимости прогрева припоя внутри металлизированного отверстия;
нет необходимости в сверлении отверстий в плате для каждого компонента;
можно использовать для монтажа обе стороны платы;
более простая и легко поддающаяся автоматизации процедура монтажа: нанесение паяльной пасты, установка компонента на плату и групповая пайка являются разнесёнными во времени технологическими операциями;
можно использовать печатные платы с металлическим основанием для рассеивания тепла от компонентов, а также электромагнитной экранизации.

Из этих достоинств также вытекают:

высокая плотность монтажа, как за счёт меньших габаритов компонентов, так и за счёт меньшего количества отверстий в плате и меньшей площади контактных площадок;
улучшение массо-габаритных характеристик готового изделия;
улучшение электрических характеристик: за счёт отсутствия выводов и уменьшения длины дорожек снижаются паразитные ёмкости и индуктивности, уменьшается задержка в сигналах сверхвысокой частоты;
снижение себестоимости готовых изделий.

Недостатки

Недостатки поверхностного монтажа перед сквозным:

производство требует более сложного и дорогого оборудования;
при ручной сборке — например, единичных и малосерийных изделий, — поверхностный монтаж требует более высокой квалификации и специальных инструментов;
высокие требования к качеству и условиям хранения технологических материалов;
при проектировании топологии печатных плат необходимо учитывать не только электрические, но и тепловые, а иногда и механические характеристики элементов. Это связано с высокой плотностью монтажа, а также с тем фактом, что компоненты и печатная плата часто имеют непосредственный тепловой контакт, и при этом различные коэффициенты теплового расширения, что может привести к появлению перенапряжений, короблению и отрыву элементов;
при групповой пайке требуется обеспечивать очень точное соблюдение температуры и времени нагрева, во избежание перегрева компонентов либо появления непропаянных участков. Качество групповой пайки ещё зависит и от топологии печатной платы, что также нужно учитывать при её проектировании.

Размеры и типы корпусов

SMD-конденсаторы (слева) по сравнению с двумя выводными конденсаторами (справа)

Электролитические SMD-конденсаторы

SMD-резисторы в оригинальной упаковке — эта упаковка позволяет использовать их в монтажном станке

Электронные компоненты для поверхностного монтажа (SMD компоненты) выпускаются различных размеров и в разных типах корпусов:

двуконтактные:
- прямоугольные пассивные компоненты (резисторы и конденсаторы):
  - 0,4 × 0,2 мм (дюймовый типоразмер — 01005^[5]);
  - 0,6 × 0,3 мм (0201);
  - 1,0 × 0,5 мм (0402);
  - 1,6 × 0,8 мм (0603);
  - 2,0 × 1,25 мм (0805);
  - 3,2 × 1,6 мм (1206);
  - 3,2 × 2,5 мм (1210);
  - 4,5 × 3,2 мм (1812);
  - 4,5 × 6,4 мм (1825);
  - 5,6 × 5,0 мм (2220);
  - 5,6 × 6,3 мм (2225);
- цилиндрические пассивные компоненты (резисторы и диоды) в корпусе MELF^[англ.]^[6]:
  - Melf (MMB) 0207, L = 5.8 м м, Ø = 2.2 м м, 1.0 Вт, 500 В;
  - MiniMelf (MMA) 0204, L = 3.6 мм, Ø = 1.4 мм, 0.25 Вт, 200 В;
  - MicroMelf (MMU) 0102, L = 2.2 мм, Ø = 1.1 мм, 0.2 Вт, 100 В;
- танталовые конденсаторы:
  - тип A (EIA 3216-18) — 3,2 × 1,6 × 1,6 мм;
  - тип B (EIA 3528-21) — 3,5 × 2,8 × 1,9 мм;
  - тип C (EIA 6032-28) — 6,0 × 3,2 × 2,2 мм;
  - тип D (EIA 7343-31) — 7,3 × 4,3 × 2,4 мм;
  - тип E (EIA 7343-43) — 7,3 × 4,3 × 4,1 мм;
- диоды (англ. small outline diode, сокр. SOD):
  - SOD-323 — 1,7 × 1,25 × 0,95 мм;
  - SOD-123 — 2,68 × 1,17 × 1,60 мм;
трёхконтактные:
- транзисторы с тремя короткими выводами (SOT):
  - SOT-23 — 3 × 1,75 × 1,3 мм;
  - SOT-223 — 6,7 × 3,7 × 1,8 мм (без выводов);
- DPAK (TO-252) — корпус (трёх- или пятиконтактные варианты), разработанный компанией Motorola для полупроводниковых устройств с большим выделением тепла;
- D2PAK (TO-263) — корпус (трёх-, пяти-, шести-, семи- или восьмивыводные варианты), аналогичный DPAK, но больший по размеру (как правило габариты корпуса соответствуют габаритам TO220);
- D3PAK (TO-268) — корпус, аналогичный D2PAK, но ещё больший по размеру;
с четырьмя выводами и более:
- выводы в две линии по бокам:
  - ИС с выводами малой длины (англ. small-outline integrated circuit, сокращённо SOIC), расстояние между выводами 1,27 мм;
  - TSOP (англ. thin small-outline package) — тонкий SOIC (тоньше SOIC по высоте), расстояние между выводами 0,5 мм;
  - SSOP — усаженный SOIC, расстояние между выводами 0,65 мм;
  - TSSOP — тонкий усаженный SOIC, расстояние между выводами 0,65 мм;
  - QSOP — SOIC четвертного размера, расстояние между выводами 0,635 мм;
  - VSOP — QSOP ещё меньшего размера, расстояние между выводами 0,4; 0,5 или 0,65 мм;
- выводы в четыре линии по бокам:
  - PLCC, CLCC — ИС в пластиковом или керамическом корпусе с выводами, загнутыми под корпус с виде буквы J на расстоянии 1,27 мм);
  - QFP (англ. quad flat package — квадратный плоский корпус) — квадратные плоские корпусы ИС разных размеров;
  - LQFP — низкопрофильный QFP (1,4 мм в высоту, разные размеры);
  - PQFP — пластиковый QFP, 44 или более вывода;
  - CQFP — керамический QFP, сходный с PQFP;
  - TQFP — тоньше QFP;
  - PQFN — силовой QFP, нет выводов, площадка для радиатора;
- массив выводов:
  - BGA (англ. ball grid array) — массив шариков с квадратным или прямоугольным расположением выводов, обычно на расстоянии 1,27 мм;
  - LFBGA — низкопрофильный FBGA, квадратный или прямоугольный, шарики припоя на расстоянии 0,8 мм;
  - CGA — корпус с входными и выходными выводами из тугоплавкого припоя;
  - CCGA — керамический CGA;
  - μBGA (микро-BGA) — массив шариков с расстоянием между шариками менее 1 мм;
  - FCBGA (англ. flip-chip ball grid array) — массив шариков на подложке, к которой припаян сам кристалл с теплораспределителем, в отличие от PBGA (массив шариков, микросхема в пластиковом корпусе) с кристаллом внутри пластмассового корпуса микросхемы;
  - LLP — безвыводный корпус.

См. также

Примечания

↑ Основы технологии и оборудование для поверхностного монтажа (неопр.). Дата обращения: 13 декабря 2010. Архивировано 29 января 2012 года.
↑ Пайка в паровой фазе (неопр.). Дата обращения: 13 декабря 2010. Архивировано 22 апреля 2012 года.
↑ Режимы пайки оплавлением (неопр.). Дата обращения: 5 февраля 2008. Архивировано 21 апреля 2012 года.
↑ Свойства, применение и хранение паяльных паст (неопр.). Дата обращения: 5 февраля 2008. Архивировано 24 апреля 2012 года.
↑ Home | Panasonic Industrial Devices (неопр.). Дата обращения: 1 августа 2011. Архивировано из оригинала 9 февраля 2014 года.
↑ EN 140401-803

Ссылки

Энциклопедия дефектов поверхностного монтажа Архивная копия от 10 февраля 2008 на Wayback Machine // elinform.ru
Основы технологии и оборудование для поверхностного монтажа Архивная копия от 29 января 2012 на Wayback Machine // elinform.ru

[1] Основы технологии и оборудование для поверхностного монтажа (неопр.). Дата обращения: 13 декабря 2010. Архивировано 29 января 2012 года.

[2] Пайка в паровой фазе (неопр.). Дата обращения: 13 декабря 2010. Архивировано 22 апреля 2012 года.

[3] Режимы пайки оплавлением (неопр.). Дата обращения: 5 февраля 2008. Архивировано 21 апреля 2012 года.

[4] Свойства, применение и хранение паяльных паст (неопр.). Дата обращения: 5 февраля 2008. Архивировано 24 апреля 2012 года.

[5] Home | Panasonic Industrial Devices (неопр.). Дата обращения: 1 августа 2011. Архивировано из оригинала 9 февраля 2014 года.

[6] EN 140401-803

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]