Уроки SMD монтажа, основы пайки, пайка печатных плат

Появление технологии поверхностного монтажа

Предпосылками к появлению технологии поверхностного монтажа явились растущие требования к микроминиатюризации и технологичности печатных узлов при автоматизированной сборке в условиях расширения области применения электроники как для специальных, так и для бытовых нужд во второй половине XX века.

Монтаж микросхем на поверхностные контактные площадки без отверстий, так называемый планарный монтаж, в то время успешно применялся в специальной технике. Корпуса микросхем для планарного монтажа имели выводы по двум или четырем сторонам. Обрезка и формовка выводов осуществлялась перед установкой, после чего микросхема фиксировалась на клей или подпайкой и припаивалась специальными роликовыми или гребенчатыми паяльниками, либо на установке пайки волной. До сих пор иногда ошибочно планарную технологию смешивают с технологией поверхностного монтажа.

https://www.youtube.com/watch?v=ytpressru

С другой стороны, во время появления поверхностного монтажа существовала и другая технология: технология гибридных модулей и микросхем, в которых применялись компоненты с укороченными выводами или вообще без выводов, устанавливаемые на керамические подложки. Также такие компоненты применялись в СВЧ технике, где длина выводов может оказывать существенное влияние на качество сигнала.

Технология монтажа на поверхность объединила в себе преимущества данных технологий, позволив существенно уменьшить массу и габариты печатных узлов, улучшить электрические характеристики и повысить технологичность сборки устройств на печатных платах.

Технология поверхностного монтажа по сравнению с технологией монтажа в отверстия обладает рядом преимуществ как в конструкторском, так и технологическом аспекте.

1. Снижение габаритов и массы печатных узлов. Компоненты для поверхностного монтажа имеют значительно меньшие размеры по сравнению с элементной базой для монтажа в отверстия. Как известно, бόльшую часть массы и габаритов микросхемы составляет отнюдь не кристалл, а корпус и выводы. Размеры корпуса продиктованы в основном расположением выводов (могут существовать и другие факторы, например, требования по теплоотводу, но они значительно реже являются определяющими). Поверхностный монтаж позволяет применять компоненты с существенно меньшим шагом выводов благодаря отсутствию отверстий в печатной плате. Поперечные сечения выводов могут быть также меньше, поскольку выводы формуются на предприятии-изготовителе компонентов и не подвергаются существенным механическим воздействиям от разупаковки до установки на плату. Кроме того, эта технология позволяет применять корпуса компонентов с контактными поверхностями, заменяющими выводы. Современная технология поверхностного монтажа позволяет устанавливать компоненты с обеих сторон печатной платы, что позволяет уменьшить площадь платы и, как следствие, габариты печатного узла.
2. Улучшение электрических характеристик. За счет уменьшения длины выводов и более плотной компановки значительно улучшается качество передачи слабых и высокочастотных сигналов.
3. Повышение технологичности. Это преимущество является, пожалуй, основным, позволившим поверхностному монтажу получить широкое распространение. Отсутствие необходимости подготовки выводов перед монтажом и установки выводов в отверстия, фиксация компонентов паяльной пастой или клеем, самовыравнивание компонентов при пайке – все это позволяет применять автоматическое технологическое оборудование с производительностью, недостижимой при соответствующей стоимости и сложности технических решений при монтаже в отверстия. Применение технологии оплавления паяльной пасты значительно снижает трудоемкость операции пайки по сравнению с ручной или селективной пайкой, и позволяет экономить материалы по сравнению с пайкой волной.
4. Повышение ремонтопригодности. Современное ремонтное оборудование позволяет снимать и устанавливать компоненты без повреждений даже при большом количестве выводов. При монтаже в отверстия эта операция является более сложной из-за необходимости равномерного прогрева достаточно теплоемких паяных соединений. При поверхностном монтаже теплоемкость соединений меньше, а нагрев может осуществляться по поверхности горячим воздухом или азотом. Тем не менее, некоторые современные компоненты для поверхностного монтажа являются настолько сложными, что их замена требует специального оборудования.
5. Снижение себестоимости. Уменьшение площади печатных плат, меньшее количество материалов, используемых в компонентах, автоматизированная сборка – все это при прочих равных условиях позволяет существенно снизить себестоимость изделия при серийном производстве.

Существуют и другие методы сборки печатных узлов, основанные на технологии поверхностного монтажа.

Комбинированный монтаж может выполняться в два этапа: сначала производится монтаж поверхностных компонентов с применением пайки оплавлением, затем установка и пайка компонентов, монтируемых в отверстия, вручную, волной или селективной пайкой. Данный метод является в настоящее время наиболее распространенным для сборки узлов по комбинированной технологии.

При сборке узлов, имеющих компоненты для монтажа на поверхность с обеих сторон платы, сначала производится нанесение пасты и установка на клей компонентов с одной стороны, затем пайка оплавлением, затем установка компонентов на пасту с другой стороны и вновь пайка оплавлением. При этом плата должна переворачиваться после первой пайки, что требует установки в линию специальных устройств переворота.

При второй пайке уже существующие паяные соединения, как правило, расплавляются, поэтому компоненты с нижней стороны платы желательно устанавливать на клей, однако в некоторых случаях, когда применяются легкие компоненты, клей не наносится, и компоненты удерживаются силами поверхностного натяжения припоя.

Типичные ошибки начинающих и методы их исправления

В технологии поверхностного монтажа, как правило, применяются два метода пайки: пайка оплавлением припойной пасты и пайка волной. В зависимости от применяемого метода пайки последовательность операций различна.

Основное преимущество метода пайки волной – возможность одновременной пайки компонентов, монтируемых как на поверхность платы, так и в отверстия. При этом пайка волной является самым производительным методом пайки при монтаже в отверстия. В современных конструкциях доля монтажа в отверстия постоянно снижается, а развитие более экономной и качественной селективной пайки позволяет автоматизировать пайку компонентов, монтируемых в отверстия, без применения волны.

Пайка волной, как и селективная пайка, применяется при так называемой смешанной технологии, когда на плате одновременно присутствуют компоненты, монтируемые на поверхность и в отверстия. Полностью избавиться от монтажа в отверстия в большинстве современных устройств не удается, тем не менее, множество изделий уже собирается с применением только поверхностного монтажа.

Прежде, чем привести типичную последовательность операций при использовании метода пайки оплавлением для сборки платы, не содержащей компонентов для монтажа в отверстия, рассмотрим состав и особенности паяльной пасты.

Паяльная паста

Пайка оплавлением основана на применении специального технологического материала – паяльной пасты. Она содержит три основных составляющих: припой, флюс (активаторы) и органические наполнители.

Припой в паяльной пасте содержится в виде частиц, имеющих, как правило, форму шариков. Размер шариков составляет несколько десятков микрометров, типичное значение 20-25 мкм. Форма шариков наиболее оптимальна с точки зрения нанесения пасты, поскольку они легко и предсказуемо проходят через апертуры трафарета и иглы дозаторов и приводят к минимальному износу оснастки.

Кроме того, шарик, имея минимальную площадь поверхности при заданном объеме, обладает наилучшими характеристиками по окислению. Проводились эксперименты с другими формами частиц, в основном для снижения скорости разделения фракций при хранении, однако их преимущества оказались незначительными, а недостатки существенными.

Размер шариков влияет на так называемую разрешающую способность пасты, т.е. минимальный размер апертуры, через которую она может быть нанесена. Минимальный размер апертуры также зависит от оборудования нанесения, но обычно считается, что он должен быть примерно в 5 раз больше среднего диаметра шарика в пасте.

https://www.youtube.com/watch?v=ytaboutru

Состав припойного сплава, применяемого в пастах, такой же, как и при других методах пайки. Обычно это эвтектический сплав олово-свинец, либо SAC-сплав (Sn-Ag-Cu) при применении бессвинцовой технологии. Широкое распространение получили сплавы олово-свинец с добавлением 2% серебра, обеспечивающие снижение миграции серебра с покрытия контактных поверхностей компонентов в материал припоя. Также применяются и другие сплавы, с содержанием висмута, индия, золота и других материалов.

Содержание припойной фракции обычно составляет порядка 50% по объему и 90-95% по массе.

Флюсы служат для подготовки поверхности перед пайкой. Их наличие в паяльной пасте является преимуществом метода оплавления, поскольку позволяет отказаться от операции нанесения флюса. Флюсы различаются по активности и методу удаления остатков. Активные флюсы применяются при пайке компонентов и плат с плохой паяемостью, либо когда качество подготовки поверхностей критично по другим причинам.

В бессвинцовой технологии из-за худшего смачивания поверхностей припоем применяются более активные флюсы, чем при использовании оловянно-свинцовых припоев. Недостатком активных флюсов является необходимость их тщательного удаления после пайки. Остатки активных флюсов могут приводить к коррозии проводников платы в процессе эксплуатации, а также при повышенной влажности вызывать образование электролитов на поверхности плат, приводящих к гальваническим эффектам, например, росту медных дендритов.

По методу удаления остатков большинство флюсов делится на не требующие отмывки, водосмываемые и смываемые растворителями. Если флюс не требует отмывки, это не означает, что его остатков на плате после пайки нет. Остатки таких флюсов не влияют на внешний вид изделия и не приводят к выходу изделия из строя при нормальных условиях эксплуатации.

Остатки водорастворимых флюсов могут удаляться горячей деионизованной водой. Эти флюсы могут быть активны. Иногда в состав паст с водосмываемыми флюсами вводятся ПАВ, улучшающие процесс отмывки. Флюсы, требующие отмывки, должны удаляться в течение строго определенного промежутка времени после пайки.

Ввиду широкой распространенности и технологичности водосмываемых флюсов и флюсов, не требующих отмывки, флюсы, смываемые растворителем, практически не применяются.

На текущий момент подавляющем большинстве случаев при сборке электроники применяются именно флюсы не требующие отмывки, т.к. это позволяет уменьшить количество операций и снизить стоимость процесса.

Прочие органические наполнители вводятся в состав паяльных паст для регулирования их свойств, таких как тиксотропность, холодная и горячая осадка, клейкость и др.

Тиксотропность пасты является одним из важнейших свойств, обеспечивающих ее качественное нанесение. Паста обладает переменной вязкостью. При прохождении через апертуры трафарета или иглу дозатора вязкость пасты уменьшается, а после нанесения – увеличивается, что позволяет зафиксировать форму отпечатка.

Осадка пасты – ее неизбежное свойство, заключающееся в растекании отпечатка со временем. Из-за холодной осадки, происходящей при нормальной температуре, время жизни отпечатков до пайки ограничено. Горячая осадка, возникающая в процессе нагрева при оплавлении, может приводить к припойным перемычкам.

Паста также обладает клеящими свойствами для первичной фиксации компонента. Нанесенная на плату паста сохраняет клейкость ограниченное время, обычно составляющее порядка 8 ч. Кроме того, следует учитывать, что из-за клейкости паста имеет свойство собирать пыль.

Часто флюс и прочие органические наполнители в составе пасты считают за одну группу компонентов, несмотря на различное их назначение.

Компоненты для поверхностного монтажа не требуют специальной подготовки перед установкой. После разупаковки и очистки платы, как правило, выполняется следующая последовательность операций.

1. Нанесение паяльной пасты. Паяльная паста наносится на контактные площадки либо с помощью дозатора, либо через трафарет. При выполнении данной операции необходимо получение отпечатков, содержащих определенный объем пасты. Недостаток пасты может приводить к отсутствию соединения, избыток – к перемычкам и низкой прочности соединения. Объем пасты зависит от конструкции конкретного компонента и размера контактной площадки.

Использование дозатора – более гибкий, но менее точный и производительный метод, обычно применяющийся при опытном производстве. Пасты для дозирования поставляются в стандартных шприцах, совместимых с большей частью оборудования. На шприц устанавливаются иглы различного диаметра, обеспечивающие нанесение определенного объема пасты.

Также объем пасты может регулироваться давлением и временем нанесения. При длительном дозировании паста нагревается, что изменяет ее реологические свойства и может приводить к ухудшению качества печати. Дозирование может производиться вручную, либо на автоматическом оборудовании. Некоторые автоматы установки компонентов начального уровня имеют возможность установки дозатора вместо установочной головки.

Трафаретная печать – наиболее распространенный метод нанесения пасты в серийном производстве. Паста наносится путем продавливания ракелем через апертуры (отверстия) в металлическом трафарете. Объем пасты определяется размером апертур и толщиной трафарета. Апертуры, как правило, выполняются несколько меньшими по размерам, чем контактные площадки (примерно на 5-10% с каждой стороны).

В некоторых случаях для получения требуемого объема пасты применяются ступенчатые трафареты с переменной толщиной. Трафарет обычно выполняется из нержавеющей стали методом лазерной резки. Также применяются медные трафареты, получаемые травлением, однако их применение ограничено достаточно низкой разрешающей способностью.

Трафаретная печать выполняется на автоматах, полуавтоматах и вручную. Основными режимами, влияющими на качество печати, являются скорость, угол наклона и усилие ракеля. Скорость ракеля обычно задается характеристиками пасты. Типичное ее значение составляет порядка 20-25 мм/с, однако современные пасты допускают печать со скоростью 150-200 мм/с. Типичный угол наклона ракеля составляет 60º. Ракель должен двигаться таким образом, чтобы паста образовала катящийся валик.

Также важным аспектом является отделение трафарета от платы.

Автоматы выполняют нанесение полностью автоматически, включая совмещения трафарета с платой, проход ракеля, отделение трафарета и его очистку. Полуавтоматы обеспечивают необходимые угол наклона и усилие на ракель, а движение ракеля осуществляется оператором вручную по направляющим.

https://www.youtube.com/watch?v=ytcopyrightru

2. Установка компонентов. Установка компонентов осуществляется, как правило, по программе на автоматах установки из стандартных упаковок, в которых компоненты поставляются заводом-изготовителем, но при единичном и мелкосерийном производстве может применяться ручная установка с помощью вакуумного пинцета или манипулятора, а также автоматизированная установка на полуавтомате (манипуляторе с указателем места установки компонента по программе).

Производительность при ручной установке может составлять несколько сотен компонентов в час в зависимости от квалификации сборщика и сложности платы. При полуавтоматической установке производительность лежит в пределах примерно 400-700 компонентов в час.

• Начинающие монтажники касаются места пайки только кончиком жала паяльника. При этом к месту пайки подводится
  недостаточно тепла. Опытный монтажник обладает чувством оптимальной теплопередачи. Он прикладывает жало
  паяльника таким образом, чтобы между ним и местом пайки образовалась как можно большая площадь контакта.
  Кроме того, он очень быстро вводит между жалом и деталью немного припоя в качестве теплопроводника.
• Начинающие монтажники расплавляет немного припоя и с некоторой задержкой подводит его к месту пайки. При
  этом часть флюса испаряется, припой не имеет защитного слоя и на нем образуется оксидная пленка. Профессионал,
  напротив, всегда касается места пайки одновременно паяльником и припоем. При этом место пайки обволакивается
  каплей чистого расплава еще до того, как флюс успеет испариться.
• Начинающие монтажники часто не уверены, не перегрето ли место припоя. Они слишком рано отводят жало паяльника
  от места пайки, затем вынуждены опять подводить его для подогрева, вновь отводят, и т.д. Результатом является
  серое место пайки с неровными границами, так как соединяемые детали были нагреты недостаточно сильно, а сам
  процесс длился слишком долго и колофоний успел испариться. Мастер, напротив, нагревает место пайки быстро и
  интенсивно и завершает процесс резко и окончательно. Он вознаграждает себя гладкой, отливающей серебром
  поверхностью припоя, в которой отражается его сияющая физиономия…