Технология поверхностного монтажа стимулирует рост миниатюризированной электроники

По мере того, как электронные устройства продолжают уменьшаться в размерах, одновременно увеличивая производительность, размещение компонентов на печатных платах сталкивается с беспрецедентными проблемами. Вы когда-нибудь задумывались, как эти плотно упакованные, микроскопические компоненты точно фиксируются на печатных платах? Ответ кроется в сложном процессе, называемом технологией поверхностного монтажа (SMT). Этот метод является не только краеугольным камнем современного производства электроники, но и движущей силой продолжающейся миниатюризации, облегченной конструкции и повышения производительности электронных продуктов.

Технология поверхностного монтажа (SMT), первоначально известная как планарный монтаж, представляет собой метод прямого крепления электронных компонентов к поверхности печатных плат (PCB). Компоненты, установленные таким образом, называются компонентами поверхностного монтажа (SMD). В современном производстве электроники SMT в значительной степени заменила традиционную технологию сквозных отверстий из-за ее способности обеспечивать высокоавтоматизированное производство, снижая затраты при одновременном улучшении качества продукции. Кроме того, SMT позволяет устанавливать больше компонентов на заданную площадь подложки.

Однако технология сквозных отверстий не исчезла полностью. Некоторые компоненты, не подходящие для поверхностного монтажа, такие как большие трансформаторы и силовые полупроводники с радиаторами, по-прежнему используют сквозной монтаж. Часто можно увидеть, как на одной и той же печатной плате используются как SMT, так и технология сквозных отверстий.

По сравнению с традиционными компонентами сквозных отверстий, компоненты SMT, как правило, меньше, с уменьшенными выводами или вообще без выводов. Компоненты SMT могут иметь различные типы коротких штырей, плоских контактов, шариковых решеток (BGA) или клемм, расположенных на корпусе компонента.

SMT возникла в 1960-х годах, но не достигла 10% доли рынка до 1986 года. С этого момента внедрение ускорилось. К концу 1990-х годов подавляющее большинство высокотехнологичных электронных сборок печатных плат использовали компоненты поверхностного монтажа. IBM сыграла новаторскую роль в разработке этой технологии, впервые продемонстрировав подход к проектированию в 1960 году на небольшом компьютере, а затем внедрив его в цифровом компьютере Launch Vehicle, используемом в ракетах Saturn IB и Saturn V для наведения во время полета.

В производстве SMT используются различные термины для описания компонентов, методов и оборудования:

Печатные платы имеют плоские, обычно луженые, серебряные или позолоченные медные площадки без отверстий в местах размещения компонентов. Процесс начинается с нанесения паяльной пасты (липкой смеси флюса и крошечных частиц припоя) на все площадки с использованием стального или никелевого трафарета методом трафаретной печати. Альтернативно, машины струйной печати, аналогичные струйным принтерам, могут наносить паяльную пасту.

После нанесения пасты плата перемещается в машину для установки компонентов, где компоненты - обычно поставляемые на бумажных/пластиковых ленточных катушках, пластиковых трубках или антистатических лотках для больших микросхем - точно позиционируются. Машины с числовым программным управлением извлекают компоненты из питателей и помещают их на печатную плату.

Затем плата поступает в печь оплавления, сначала проходя через зону предварительного нагрева для постепенного равномерного повышения температуры и предотвращения теплового удара. В последующей зоне температура становится достаточно высокой, чтобы расплавить частицы припоя, соединяя выводы компонентов с площадками печатной платы. Поверхностное натяжение расплавленного припоя помогает правильно выравнивать компоненты, если геометрия площадки спроектирована правильно.

Методы оплавления включают инфракрасные лампы (инфракрасное оплавление), конвекцию горячим газом и оплавление в паровой фазе с использованием специальных высококипящих фторуглеродных жидкостей. Последний метод вновь обрел популярность с появлением правил, не содержащих свинца, требующих более строгого контроля процесса. По состоянию на 2008 год наиболее распространенной была пайка конвекцией с использованием стандартного воздуха или азота.

Для двусторонних плат процесс печати, размещения и оплавления повторяется с использованием паяльной пасты или клея. Волновая пайка требует клея для предотвращения смещения компонентов во время плавления паяльной пасты.

После пайки платы могут подвергаться очистке для удаления остатков флюса и посторонних шариков припоя, которые могут вызвать короткое замыкание. Для канифольного флюса требуются фторуглеродные, высококипящие углеводороды или низкокипящие растворители (например, лимонен, полученный из цитрусовых), а водорастворимый флюс требует деионизированной воды и моющего средства с последующей быстрой сушкой. Однако в большинстве сборок сейчас используются процессы «без очистки», при которых остаются безвредные остатки флюса, что экономит затраты и ускоряет производство. Очистка остается целесообразной для высокочастотных приложений (выше 1 ГГц) или для улучшения адгезии покрытия.

Отраслевые тенденции рекомендуют тщательную оценку процессов без очистки, поскольку захваченные остатки под компонентами или экранами могут влиять на сопротивление изоляции поверхности (SIR), особенно на платах высокой плотности.

Некоторые стандарты (например, IPC) предписывают очистку независимо от типа паяльного флюса для обеспечения полной чистоты платы. Хотя это приемлемо, белые остатки должны быть задокументированы как безвредные. Не все производители следуют стандартам IPC, особенно для продуктов, чувствительных к стоимости.

Окончательный визуальный осмотр проверяет наличие отсутствующих/неправильно выровненных компонентов и паяльных мостиков, а станции доработки исправляют ошибки. Затем платы проходят тестирование (внутрисхемное и/или функциональное) для проверки правильности работы. Системы автоматического оптического контроля (AOI) доказали свою ценность для улучшения качества.

• Более быстрая автоматизированная сборка: Некоторые машины для установки компонентов обрабатывают более 136 000 компонентов в час
• Более высокая плотность компонентов: Больше компонентов на единицу площади с увеличенной связностью
• Двусторонний монтаж: Компоненты могут заполнять обе стороны платы
• Повышенная плотность соединений: Отсутствие отверстий обеспечивает больше места для трассировки на внутренних/задних слоях
• Самовыравнивание: Поверхностное натяжение расплавленного припоя корректирует незначительные ошибки размещения
• Улучшенная механическая производительность: Лучшая устойчивость к ударам/вибрации из-за уменьшенной массы и эффектов консоли
• Более низкое сопротивление/индуктивность: Уменьшение нежелательных радиочастотных эффектов и более предсказуемое высокочастотное поведение
• Улучшенная электромагнитная совместимость: Меньшие петли излучения и индуктивность выводов минимизируют излучение
• Меньше просверленных отверстий: Сокращает трудоемкие и дорогостоящие операции сверления
• Более низкие производственные затраты: Снижение первоначальных затрат на настройку и расходов на компоненты для крупносерийного производства
• Меньшие компоненты: Детали SMT, как правило, более компактны, чем эквиваленты сквозных отверстий

• Не подходит для высоконагруженных соединений: Компоненты, подвергающиеся частым механическим нагрузкам (например, часто подключаемые разъемы), могут потребовать дополнительных методов монтажа
• Риски компаундирования: Термический цикл инкапсулянтов может повредить паяные соединения SMD
• Трудности ручного обращения: Прототипирование и ремонт требуют квалифицированных операторов и специализированных инструментов из-за крошечных компонентов и мелкого шага
• Несовместимость с разъемами: Многие корпуса SMD не могут использовать разъемы для легкой замены/модификации
• Ограничения макетной платы: SMD не работают напрямую с подключаемыми макетными платами, требуя специальных печатных плат или адаптерных носителей
• Проблемы надежности: Достижения в области сверхтонкого шага создают меньшие паяные соединения с потенциальными проблемами пустот
• Проблемы идентификации: Меньшие области маркировки затрудняют чтение значений/кодов компонентов без увеличения

Дефектные компоненты поверхностного монтажа можно отремонтировать с помощью паяльников (для некоторых соединений) или бесконтактных систем доработки. Последние, как правило, предпочтительнее, так как работа с SMD с помощью паяльников требует значительного мастерства.

Доработка обычно включает в себя:

1. Расплавление припоя и удаление компонента
2. Очистка остатков припоя (для некоторых компонентов)
3. Нанесение свежей паяльной пасты (путем дозирования или окунания)
4. Размещение нового компонента и оплавление

Массовая доработка идентичных компонентов требует специализированного оборудования, особенно при обнаружении поздно в жизненном цикле продукта. Существуют два основных бесконтактных метода:

Использует длинноволновое, средневолновое или коротковолновое инфракрасное излучение для нагрева.

Преимущества: Простая настройка; не требуется сжатый воздух; равномерный нагрев; точный контроль температуры; документирование процесса

Недостатки: Требует экранирования близлежащих компонентов; температура поверхности варьируется в зависимости от отражательной способности; конвективные потери

Передает тепло через нагретый воздух или инертный газ (азот).

Преимущества: Возможность переключения газа; высокая надежность при использовании надлежащих насадок; быстрое охлаждение

Недостатки: Медленная тепловая реакция; дорогие нестандартные насадки; потенциальное повреждение компонентов из-за турбулентности; затруднительное измерение температуры

Сочетают средневолновое ИК-излучение с горячим воздухом.

Преимущества: Сочетает преимущества обоих методов; обрабатывает большие/нестандартные компоненты; отличный контроль температуры

Недостатки: По-прежнему требует экранирования компонентов

Компоненты поверхностного монтажа, как правило, меньше, чем компоненты с выводами, и предназначены для машинной обработки. Промышленность стандартизировала формы и размеры корпусов (в основном через JEDEC). По состоянию на 2024 год, наименьшие доступные размеры после 0201 включают 01005, 008005, 008004, 008003 и 006003.

Резисторы: Резисторы SMD с допуском 5% используют трехзначные коды (две значащие цифры, один множитель). Детали с допуском 1% используют буквенно-цифровой код серии E96.

Конденсаторы: Неэлектролитические часто не имеют маркировки, требуя измерения после удаления. Электролитические (обычно танталовые) используют кодировку, подобную резисторам.

Индукторы: Меньшие устройства выглядят как ферритовые бусины, а более крупные проволочные типы могут отображать значения (например, «330» для 33 мкГн).

Полупроводники: Диоды и транзисторы используют двух/трехсимвольные коды, которые различаются в зависимости от производителя и корпуса.

Микросхемы: Более крупные корпуса обычно отображают полные номера деталей, включая префиксы или логотипы производителя.