Технологія монтажу на поверхню не нова, але у вітчизняній літературі вона, на жаль, висвітлена недостатньо повно. Пропонований ряд статей, присвячений цій тематиці, допоможе читачам глибше розібратися в особливостях технологій монтажу електронних модулів. У даній статті описаний ряд конструкцій типових електронних модулів і особливості технологічного процесу складання кожного їх типу.
Сучасні електронні компоненти
Тип монтажу модулів визначається в першу чергу кількістю сторін, на які здійснюється монтаж (одно- або двосторонній), і номенклатурою використовуваних компонентів. Тому опис типів монтажу логічно передувати коротким оглядом компонентів і корпусів. Основним, найбільш важливим для технолога критерієм поділу електронних компонентів на групи є метод їх монтування на плату - в отвори або на поверхню. Саме він в основному і визначає технологічні процеси, які необхідно використовувати при монтажі.
У таблиці наведено інформацію по найбільш поширеним корпусам компонентів: назви, зображення, габарити, крок висновків. Всі розміри, за винятком особливих випадків, зазначених, наведені в Мілах (1 mil = 0,0254 мм).
Мал. 1. ТНТ-компоненти
Мал. 2. SMD-компоненти
Компоненти, що вмонтовуються в отвори
Типи корпусів в групі
З одним рядом висновків - SIL
TO-92TO-202, TO-220 і ін.
З двома рядами висновків - DIL
З радіальними висновками
З осьовими висновками
Компоненти, що вмонтовуються на поверхню
З двома рядами висновків - DIL
«SOT-23, SSOP, TSOP, SOIC»
З висновками по сторонам квадратного корпусу - Quad Package
LCC, CQJB, CQFP, CerQuad, PLCC, PQFP
350х350 милий ... 20x20 мм
Мал. 3. Корпус BGA
Наведений вище короткий огляд сучасних компонентів дає уявлення про те, наскільки велике число можливих варіантів реалізації монтажу модулів при різному розташуванні їх на платі. Крім того, в огляді не була представлена ще одна група - група нестандартних компонентів (odd form components).
Види монтажу можна розділяти за різними параметрами: за кількістю використовуваних для монтажу сторін плати (одно- або двосторонній), за типами використовуваних компонентів (поверхневий, вивідний або змішаний), по їх розташуванню на двосторонньому модулі (змішано-рознесений або змішаний). Розглянемо найбільш поширені з них, а також послідовність технологічних операцій для кожного виду монтажу.
види монтажу
Поверхневий монтаж на плати може бути одностороннім і двостороннім. Число технологічних операцій при цьому виді монтажу мінімально.
При односторонньому монтажі (рис. 4, а) на діелектричне підставу плати наносять припойними пасту методом трафаретного друку. Кількість припою, що наноситься на плату, має забезпечувати необхідні електрофізичні характеристики комутованих елементів, що вимагає відповідного контролю. Після позиціонування і фіксації компонентів виконують операцію пайки шляхом оплавлення дозованого припою. На завершення технологічного циклу проводиться контроль паяних з'єднань, а також функціональний і внутрісхемний контроль. На рис. 4, а зображені поверхнево-монтовані компоненти різних видів: щодо складно монтовані компоненти в корпусах PLCC і SOIC і легко монтуються чіп-компоненти.
Мал. 4. а, б
Для двостороннього поверхневого монтажу (рис. 4, б) можливі різні варіанти реалізації. Один з них передбачає початок технологічного процесу з операції нанесення паяльної пасти на нижню сторону плати. Потім в місцях установки компонентів наносять розрахункову дозу клею і виробляють установку компонентів. Після цього в печі клей полімеризується і відбувається оплавлення пасти припою. Плата перевертається, наноситься паста припою і встановлюються компоненти на верхню сторону плати, після чого верхня сторона оплавляется. В цьому випадку для пайки компонентів використовуються печі з одностороннім нагріванням.
При іншому варіанті реалізації двостороннього поверхневого монтажу використовуються печі з двостороннім нагріванням.
Цікаве питання про необхідність нанесення клею на плату. Цю операцію виконують з метою запобігання відділення компонентів від плати при її перекиданні. Існуючі розрахунки показують, що більшість компонентів не впадуть з плати навіть при її перевертанні, оскільки будуть триматися за рахунок сил поверхневого натягу припойними пасти. З цієї причини операцію нанесення клею можна віднести до обов'язкових.
При змішано-рознесеному монтажі компоненти, що встановлюються в отвори (THT-компоненти), розташовуються на верхній стороні плати, а компоненти для поверхневого монтажу - на нижній. В цьому випадку обов'язковою є операція пайки подвійний хвилею припою. Змішано-рознесений монтаж компонентів показаний на рис. 5.
Мал. 5. Змішано-рознесений монтаж
Реалізація такого виду монтажу передбачає наступну послідовність операцій: на поверхню плати наноситься дозатором клей, на який встановлюються SMD-компоненти, клей полімеризується в печі, після чого проводиться установка компонентів в отвори, промивка модуля і виконуються операції контролю.
Можливий альтернативний варіант, при якому складання починають з установки компонентів в отвори плати, після чого розміщують поверхнево-монтовані компоненти. Він застосовується тоді, коли формування і вирубка висновків звичайних компонентів здійснюється за допомогою спеціальних пристосувань заздалегідь, інакше компоненти, монтовані на поверхню, будуть ускладнювати обрізку висновків, що проходять через отвори плати. Компоненти для поверхневого монтажу при підвищеній щільності їх розміщення доцільно монтувати в першу чергу, що вимагає мінімальної кількості переворотів плати в процесі виготовлення виробу.
Прикладом змішаного монтажу є установка на верхній стороні плати і SMD-, і ТНТ-компонентів (вмонтовуються в отвори), а на нижньому боці - тільки SMD-компонентів. Це найскладніша різновид монтажу (рис. 6).
Мал. 6. Змішаний монтаж
Можуть бути різні варіанти її реалізації. При одному з них спочатку на нижню сторону друкованої плати методом дозування наносять клей, а на нанесений клей встановлюють SMD-компоненти. Після проведення контролю установки компонентів проводять затвердіння клею в печі. На верхню сторону плати наноситься паяльна паста, а на неї потім встановлюються SMD-компоненти. Нанесення паяльної пасти можливо як методом трафаретного друку, так і методом дозування. В останньому випадку операції нанесення клею і паяльної пасти можна проводити на одному обладнанні, що скорочує витрати. Однак нанесення паяльних паст методом дозування непридатне при промисловому виробництві через низьку швидкості і стабільності процесу в порівнянні з трафаретним друком і виправдано тільки в умовах відсутності трафарету на виріб або недоцільність його виготовлення. Така ситуація може скластися, наприклад, при дослідному виробництві великої номенклатури електронних модулів, коли через велику кількість оброблюваних конструктивів і малих серій витрати на виготовлення трафаретів значні.
Після установки SMD-компонентів на верхню сторону плати проводиться їх групова пайка методом оплавлення припойними пасти, нанесеною на трафаретному принтері, або методом дозування. Після цієї операції технологічний цикл, пов'язаний з установкою поверхнево монтованих компонентів, вважається завершеним.
Далі, після ручної установки компонентів в отвори плати проводиться спільна пайка всіх SMD-компонентів, раніше утримувалися на нижньому боці плати за допомогою отвержденного адгезиву і вже встановлених вивідних компонентів.
В кінці технологічного циклу виконують операції візуальної інспекції пайки і контролю.
При іншому варіанті реалізації змішаного монтажу передбачається інша послідовність виконання операцій. Першим етапом є нанесення припойними пасти через трафарет, установка на верхній стороні плати складних компонентів для поверхневого монтажу (SO, PLCC, BGA) і пайка розплавленням дозованого припою. Потім, після установки компонентів в отвори плати (з відповідною обрізанням і фіксацією висновків), плата перевертається, на неї наноситься адгезив і встановлюються компоненти простих форм для поверхневого монтажу (чіп-компоненти, компоненти в корпусі SOT). Вони і висновки компонентів, встановлених в отвори, одночасно пропаіваются подвійний хвилею припою. Можливо також використання в складі однієї лінії устаткування, що забезпечує ефективну пайку компонентів (з верхньої сторони плати) розплавленням дозованого припою і пайку (з нижньої сторони плати) хвилею припою.
Необхідно відзначити, що в технологічному процесі, що реалізує змішаний монтаж, зростає кількість контрольних операцій через складність збирання при наявності компонентів на обох сторонах плати. Неминуче зростають також кількість паяних з'єднань і труднощі забезпечення їх якості.
Односторонній вивідний і поверхневий монтаж
Така технологія називається в світовій практиці назву технології оплавлення припойними паст (reflow) і є однією з стандартних в технології монтажу на поверхню (рис. 7).
Мал. 7. Односторонній монтаж SMD і ТНТ
Збірка модулів такого типу здійснюється наступним чином: на поверхню плати наноситься припойні паста, на яку встановлюють SMD-компоненти; потім паста оплавляется в печі, встановлюються THT-компоненти, проводиться пайка хвилею припою, після чого здійснюють промивку та контроль зібраного модуля.
Односторонній вивідний монтаж
Технологія складання таких друкованих плат (рис. 8) є стандартним складально-монтажних циклом із застосуванням пайки хвилею припою. Цей цикл складається з операцій установки вивідних компонентів, їх пайки на установці пайки хвилею і контрольних операцій. Установка компонентів може бути як ручний, так і напівавтоматичного. Вибір обладнання визначається необхідною продуктивністю. Автоматизація такого типу монтажу є мінімальною, а сама реалізація - гранично простий.
Мал. 8. Односсторонній монтаж ТНТ
Дана публікація є першою статтею з циклу, присвяченого поверхневому монтажу. Логічним її продовженням стане висвітлення питання складу виробничої лінії, на якій реалізується цей вид монтажу: необхідність кожного виду обладнання, його технічні характеристики і роль в технологічному процесі, необхідний склад персоналу і його кваліфікація, а також інші питання, що виникають при створенні складально-монтажного виробництва .