Меню
Технологии электроники

SMT-монтаж и SMD-компоненты

Технология поверхностного монтажа

Технология поверхностного монтажа зародилась в 1960-х годах и спустя 20 лет стала широко применяться в производстве электроники.

Сейчас данная технология является бесспорным лидером. Трудно найти современное устройство, которое бы не было выполнено с применением этой технологии.

SMT-монтаж и SMD-компоненты на печатной плате

Для начала давайте разберёмся в терминологии.

  • Поверхностный монтаж сокращённо называется SMT (от англ. Surface Mount Technology – Технология монтажа на поверхность (по-русски, – ТМП)).

    Так уж устоялось, что под аббревиатурой SMD порой имеют ввиду в том числе и саму технологию поверхностного монтажа, хотя на самом деле термин SMD имеет иное значение.

  • SMD – это Surface Mount Device, то есть компонент или устройство, монтируемое на поверхность. Таким образом, под SMD надо понимать именно компоненты и радиодетали, а не технологию в целом. Иногда SMD–элементы называют чип-компонентами, например, чип-конденсатор или чип-резистор.

Вся суть технологии SMT заключается в том, чтобы устанавливать электронные компоненты на поверхность печатной платы. По сравнению с технологией монтажа компонентов в отверстия (так называемая THTThrouth Hole Technology), – эта технология обладает массой преимуществ. Вот лишь основные из них:

  • Отпадает надобность в сверлении отверстий под выводы компонентов;

  • Есть возможность установки компонентов с двух сторон печатной платы;

  • Высокая плотность монтажа, и, как следствие, экономия материалов и уменьшение габаритов готовых изделий;

  • SMD-компоненты дешевле обычных, имеют меньшие габариты и вес;

  • Возможность более глубокой автоматизации производства, по сравнению с технологией THT;

Если для производства SMT–технология очень выгодна за счёт своей автоматизации, то для мелкосерийного производства, а также для радиолюбителей, электронщиков, сервисных инженеров и радиомехаников, она создаёт массу проблем.

SMD компоненты: резисторы, конденсаторы, микросхемы имеют весьма маленькие размеры.

Давайте познакомимся с электронными SMD-компонентами. Для начинающих электронщиков это очень важно, так как поначалу порой сложно разобраться во всём их изобилии.

Начнём с резисторов. Как правило, SMD-резисторы выглядят вот так.

SMD-резисторы (типоразмер 1206)
SMD-резисторы (типоразмер 1206)

Обычно на их малогабаритном корпусе указана число-буквенная маркировка, в которой закодировано номинальное сопротивление резистора. Исключение составляют микроскопические по размерам резисторы на корпусе которых просто нет места для её нанесения.

Как и обычные, SMD-резисторы различаются по мощности. Мощность SMD-резистора можно определить из его габаритов. SMD-резисторы имеют определённый типоразмер. В зависимости от типоразмера резистор имеет определённую мощность рассеивания.

А вот так выглядят SMD конденсаторы.

Керамические SMD-конденсаторы
Керамические SMD-конденсаторы

В качестве SMD-конденсаторов широкое распространение получили многослойные керамические конденсаторы (MLCCMultiLayer Ceramic Capacitors). Их корпус имеет характерный светло-коричневый цвет, а маркировка, как правило, не указывается.

Естественно, существуют и электролитические конденсаторы для поверхностного монтажа. Обычные алюминиевые конденсаторы имеют малые размеры и два коротких вывода у пластикового основания.

Алюминиевые электролитические SMD-конденсаторы
Алюминиевые электролитические SMD-конденсаторы

Так как габариты позволяют, то на корпусе алюминиевых SMD-конденсаторов указывается емкость и рабочее напряжение. Со стороны минусового вывода на верхней стороне корпуса чёрным цветом нанесён полукруг.

Кроме этого существуют танталовые электролитические конденсаторы, а также полимерные.

Танталовые чип-конденсаторы, в основном, выполняются в корпусе жёлтого и оранжевого цвета. Более подробно об их устройстве я уже рассказывал на страницах сайта. А вот полимерные конденсаторы имеют корпус чёрного цвета. Порой их легко спутать с SMD-диодами.

Надо отметить, что ранее, когда SMT монтаж ещё только зарождался, в ходу были конденсаторы в цилиндрическом корпусе и имели маркировку в виде цветных полос. Сейчас они встречаются всё реже.

Стабилитроны и диоды всё чаще производят в пластиковых корпусах чёрного цвета. Корпус со стороны катода маркируется полосой.

Диод Шоттки BYS10-45 в SMD-корпусе
Диод Шоттки BYS10-45-E3/TR в корпусе DO-214AC

Иногда стабилитроны или диоды изготавливаются в трёхвыводном корпусе SOT-23, который активно применяют для транзисторов. Это вносит путаницу при определении принадлежности компонента. Имейте это ввиду.

Кроме стабилитронов, которые имеют пластмассовый корпус, довольно широко распространены безвыводные стабилитроны в цилиндрических стеклянных корпусах MELF и MiniMELF.

SMD-стабилитрон в стеклянном корпусе
Стабилитрон на 18V (DL4746A) в стеклянном корпусе MELF

А вот так выглядит индикаторный SMD-светодиод.

Индикаторный SMD-светодиод

Самая большая проблема таких светодиодов в том, что обычным паяльником их очень трудно выпаять с печатной платы. Подозреваю, что за это их люто ненавидят радиолюбители.

Даже при использовании термовоздушной паяльной станции вряд ли удастся выпаять SMD-светодиод без последствий. При небольшом нагреве прозрачный пластик светодиода оплавляется и просто "сползает" с основания.

Поэтому у новичков, да, и бывалых, возникает уйма вопросов, как выпаять SMD-светодиод не повредив его.

Также как и другие элементы, микросхемы адаптируют для поверхностного монтажа. Практически у всех популярных микросхем, которые изначально выпускались в DIP-корпусах под монтаж в отверстия, есть и версии для SMT-монтажа.

Микросхемы для поверхностного монтажа

Для отвода тепла от микросхем в SMD-корпусах, которые в процессе работы нагреваются, частенько используется сама печатная плата и медные полигоны на её поверхности. В качестве своеобразных радиаторов используются и медные площадки на плате обильно лужёные припоем.

Использование поверхности печатной платы для охлаждения SMD-элемента

На фото наглядный пример, где драйвер SA9259 в корпусе HSOP-28 охлаждается медным полигоном на поверхности платы.

Естественно, под поверхностный монтаж затачиваются не только рядовые электронные компоненты, но и целые функциональные узлы. Взгляните на фото.

Цифровой микрофон для мобильного телефона
Микрофон для мобильного телефона Nokia C5-00

Это цифровой микрофон для мобильных телефонов Nokia C5-00. Его корпус не имеет выводов, а вместо них используются контактные площадки ("пятаки" или "пады").

Кроме самого микрофона в корпусе смонтирована и специализированная микросхема для усиления и обработки сигнала.

С микросхемами происходит тоже самое. Производители стараются избавиться даже от самых коротких выводов. На фото под №1 показана микросхема линейного стабилизатора MAX5048ATT+ в корпусе TDFN. Далее под №2 – микросхема MAX98400A. Это стереофонический усилитель класса D фирмы Maxim Integrated. Микросхема выполнена в 36-контактном корпусе TQFN. Центральная площадка используется для отвода тепла к поверхности печатной платы.

Микросхемы в корпусах для поверхностного монтажа

Как видим, микросхемы не имеют выводов, а только контактные площадки.

Под №3 – микросхема MAX5486EUG+. Стереофонический регулятор звука с кнопочным управлением. Корпус – TSSOP24.

В последнее время производители электронных компонентов стремятся избавиться от выводов и выполняют их в виде боковых контактных площадок. Во многих случаях площадь контакта переносят и под нижнюю часть корпуса, где он выполняет ещё и роль теплоотвода.

Новые безвыводные SMD-корпуса для элементов

Так как SMD-элементы имеют небольшие размеры и установлены на поверхности печатной платы, то любая её деформация или изгиб может повредить элемент или нарушить контакт.

Так, например, многослойные керамические конденсаторы (MLCC) могут трескаться от давления на них при монтаже или из-за чрезмерной дозации припоя.

Избыток припоя приводит к механическому напряжению со стороны контактов. Малейший изгиб или удар провоцирует возникновение трещин в многослойной структуре конденсатора.

Вот один из примеров того, как излишки припоя на контактах приводят к появлению трещин в структуре конденсатора.

Трещина в многослойном керамическом конденсаторе из-за избытка припоя на контактах

Фото взято из доклада фирмы TDK "Common Cracking Modes in Surface Mount Multilayer Ceramic Capacitors". Так что, много припоя не всегда хорошо.

А теперь маленькая загадка, чтобы оживить наш затянувшийся рассказ. Посмотрите на фото.

Отсутствие маркировки на SMD-компонентах вносит путаницу при определении их типа

Определите, какие из элементов показаны на фото. Как, по-вашему, что скрывается под первым номером? Конденсатор? Может индуктивность? Нет, наверное, это какой-то особенный резистор...

А вот и ответ:

  • №1 – керамический конденсатор типоразмера 1206;

  • №2 – NTC-термистор (терморезистор) B57621-C 103-J62 на 10 кОм (типоразмер 1206);

  • №3 – дроссель подавления электромагнитных помех BLM41PG600SN1L (типоразмер 1806).

К сожалению, из-за своих размеров на подавляющее большинство SMD-компонентов просто-напросто не наносят маркировку. Также как и в приведённом примере, спутать элементы очень легко, так как все они очень похожи друг на друга.

Порой, данное обстоятельство осложняет ремонт электроники, особенно в тех случаях, когда на аппарат невозможно найти технической документации и схему.

Наверняка уже заметили, что SMD-детали упаковывают в перфорированную ленту. Её же в свою очередь скручивают в катушку-бобину. Зачем это надо?

Дело в том, что лента эта используется неспроста. Она очень удобна для подачи компонентов в автоматическом режиме на монтажно-сборочных станках (установщиках).

Автоматический станок-установщик SMD-компонентов

В промышленности монтаж и пайка SMD-компонентов производится с помощью специального оборудования. Если не вдаваться в детали, то процесс выглядит следующим образом.

  • С помощью трафаретов на контактные площадки под элементы наносится паяльная паста. Для крупносерийного производства применяются автоматы трафаретной печати (принтеры), а для мелкосерийного используются системы дозирования материала (дозирование паяльной пасты и клея, заливка компаунда и пр.). Автоматические дозаторы нужны для производства изделий требовательных к условиям эксплуатации.

  • Затем происходит автоматизированная установка SMD-компонентов на поверхность платы с помощью автоматов установки компонентов (установщиков). В некоторых случаях детали на поверхности фиксируются каплей клея. Станок-установщик оснащён системой забора компонентов (с той самой ленты), системой технического зрения для их распознавания, а также системой установки и позиционирования компонентов на поверхность платы.

  • Далее заготовку отправляют в печь, где происходит оплавление паяльной пасты. В зависимости от техпроцесса оплавление может производиться методом конвекции или инфракрасным излучением. Например, для этого могут применяться печи конвекционного оплавления.

  • Отмывка печатной платы от остатков флюса и других веществ (масло, жир, пыль, агрессивные вещества), сушка. Для этого процесса используются специальные системы отмывки.

Естественно, в производственном цикле используется куда больше различных станков и приборов. Например, это могут быть системы рентгеновского контроля, испытательные климатические камеры, автоматы оптической инспекции и многое другое. Всё зависит от масштабов производства и требований к конечному продукту.

Стоит отметить, что, несмотря на кажущуюся простоту SMT-технологии, на деле всё обстоит по-другому. Примером могут служить дефекты, которые образуются на всех стадиях производства. Некоторые из них вы могли уже наблюдать, например, шарики припоя на плате.

Припойный шарик рядом с контактом

Они образуются из-за смещения трафарета или избыточного количества паяльной пасты.

Также не редкостью является образование пустот внутри паяного соединения. Они могут быть заполнены остатками флюса. Как ни странно, но наличие небольшого количества пустот в соединении положительно сказывается на надёжности контакта, так как пустоты препятствуют распространению трещин.

Некоторые из дефектов даже получили устоявшиеся названия. Вот некоторые из них:

  • "Надгробный камень" – это когда компонент "встаёт на дыбы" перпендикулярно плате и запаивается одним выводом только лишь к одному контакту. Более сильное поверхностное натяжение с одного из торцов компонента заставляет его подняться над контактной площадкой.

  • "Собачьи уши" – неравномерное распределение пасты в отпечатке при условии достаточного её количества. Вызывает припойные перемычки.

  • "Холодная пайка" – некачественное паяное соединение из-за низкой температуры пайки. Внешний вид паяного соединения имеет сероватый оттенок, а также пористую, бугроватую поверхность.

  • Эффект "Поп-Корна" ("Popcorn effect") при пайке микросхем в корпусе BGA. Дефект, который возникает из-за испарения влаги поглощённой корпусом микросхемы. При пайке влага испаряется, внутри корпуса образуется полость вздутия, которая схлопываясь, образует трещины в корпусе микросхемы. Интенсивное парообразование при нагреве также выдавливает припой с площадок, что образует неравномерное распределение припоя среди шариков-контактов и образование перемычек. Данный дефект выявляется с помощью рентгена. Образуется из-за неправильного хранения компонентов, чувствительных к влаге.

Довольно важным расходным материалом в технологии SMT является паяльная паста. Паяльная паста состоит из смеси очень мелких шариков припоя и флюса, который облегчает процесс пайки.

Флюс улучшает смачиваемость за счёт уменьшения поверхностного натяжения. Поэтому при нагреве, расплавившиеся шарики припоя легко покрывают поверхность контакта и выводы элемента, образуя паяное соединение. Флюс также способствует удалению окислов с поверхности, а также защищает её от воздействия окружающей среды.

В зависимости от состава флюса в припойной пасте, он может выполнять и функцию клея, который фиксирует SMD-компонент на плате.

Если вы наблюдали процесс пайки SMD-компонентов, то могли заметить действие эффекта самопозиционирования элемента. Выглядит это очень здорово. За счёт сил поверхностного натяжения компонент как бы сам выравнивается относительно поверхности контакта на плате, плавая в жидком припое.

Вот так, казалось бы, такая простая идея установки электронных компонентов на поверхность печатной платы позволила уменьшить общие габариты электронных устройств, автоматизировать производство, снизить затраты на компоненты (SMD компоненты на 25–50% дешевле обычных) а, следовательно, сделать бытовую электронику более дешёвой и компактной.

Главная » Технологии » Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

 

Copyright © Go-Radio.ru