Объяснение процесса сборки печатных плат методом поверхностного монтажа (SMT).

Технология поверхностного монтажа (SMT) — это основной способ сборки современных печатных плат: компоненты размещаются непосредственно на контактных площадках на поверхности платы и припаиваются одновременно в печи оплавления. Именно это делает возможным создание современной мелкой, компактной и массово производимой электроники. В этом руководстве объясняется, что такое SMT. СМТ печатная плата В статье рассматривается принцип работы сборочной линии шаг за шагом, сравниваются поверхностно-монтируемые и сквозные монтажные компоненты, рассматриваются распространенные типы корпусов компонентов, как проектировать платы, которые собираются аккуратно, а также как осуществляется проверка и тестирование готовых плат.

Что означает SMT и почему он доминирует

В технологии поверхностного монтажа компоненты имеют небольшие выводы или контакты, которые припаиваются непосредственно к контактным площадкам на поверхности платы, а не к отверстиям, проходящим через просверленные отверстия. Плата может быть оснащена компонентами с обеих сторон, и вся сборка паяется за один проход в печи оплавления.

Технология поверхностного монтажа (SMT) доминирует по конкретным причинам. Компоненты для поверхностного монтажа намного меньше своих аналогов для сквозного монтажа, поэтому платы получаются более плотными и компактными. Процесс в значительной степени автоматизирован, что делает его быстрым, воспроизводимым и экономически эффективным в больших масштабах. Кроме того, он поддерживает корпуса с малым шагом выводов и большим количеством контактов, которые требуются современным микросхемам. Для почти всей современной электроники SMT является стандартом, поэтому ключевой возможностью сборочного производства является линия SMT, сердце производства. Сборка печатной платы.

Сборочная линия SMT, шаг за шагом

Линия поверхностного монтажа (SMT) представляет собой последовательность станков, каждый из которых выполняет одну задачу, передавая плату следующему. Понимание этого процесса позволяет в дальнейшем разработать соответствующие правила проектирования.

1. Печать паяльной пастой

Над печатной платой выравнивается трафарет из нержавеющей стали, и паяльная паста — смесь мельчайших частиц припоя и флюса — наносится через отверстия в трафарете на контактные площадки. Отверстия трафарета точно контролируют количество пасты, попадающей на каждую площадку, и правильное определение этого количества является основой качественных соединений.

2. Контроль паяльной пасты (SPI)

Автоматизированная система проверяет напечатанную пасту, её объём, положение и форму на каждой контактной площадке перед выпуском каких-либо компонентов. Выявление проблемы с пастой на этом этапе обходится гораздо дешевле, чем обнаружение дефекта после оплавления, поэтому SPI является ключевым контролем качества при работе с малым шагом выводов.

3. Перемещение и захват

Высокоскоростные станки захватывают компоненты с катушек и лотков и точно размещают их на подготовленных площадках, выполняя тысячи размещений в час. Липкость пасты удерживает каждую деталь на месте до пайки. Точность размещения — это то, что позволяет надежно собирать крошечные компоненты и микросхемы с малым шагом выводов.

4. Пайка оплавлением

Заполненная плата проходит через печь оплавления с тщательно контролируемым температурным профилем, предварительный нагрев, выдержку, пик, при котором припой плавится (для бессвинцовых сплавов пик составляет около 245 °C), а затем охлаждение. Паста плавится и образует паяные соединения, а затем затвердевает по мере охлаждения платы. Тепловой профиль настраивается под плату и ее компоненты, а требовательные к температуре подложки требуют особого внимания, поэтому для плат с высокими тепловыделениями используются профили, подходящие именно для таких плат. сборка с металлическим сердечником.

5. Автоматизированный оптический и рентгеновский контроль

После оплавления автоматизированный оптический контроль (АОИ) проверяет видимые соединения и расположение компонентов с помощью камер. Для корпусов, контакты которых расположены под корпусом, таких как QFN и BGA, используется рентгеновский контроль для обнаружения скрытых соединений. Вместе они подтверждают правильность пайки.

6. Двусторонние доски

Когда компоненты устанавливаются с обеих сторон, обычно сначала собирается более легкая сторона, затем плата переворачивается, и начинается установка компонентов со второй стороны, при этом самые тяжелые компоненты размещаются на последней стороне, чтобы их не потревожить. Такая последовательность обеспечивает сохранность всех компонентов до второй оплавки.

SMT против сквозного монтажа

Поверхностный монтаж не полностью вытеснил сквозной монтаж; у каждого из них есть свое место, и многие печатные платы используют оба варианта.

Сквозные выводы по-прежнему востребованы в разъемах, выдерживающих механическую нагрузку, для крупных силовых компонентов и всего, что выигрывает от наличия проводников, закрепленных через плату. Большинство реальных продуктов используют именно такие выводы. гибридСначала компоненты для поверхностного монтажа припаиваются методом оплавления, затем компоненты для сквозного монтажа добавляются методом селективной или волновой пайки. Квалифицированный сборщик выполняет оба процесса на одной плате, что имеет значение по мере развития технологий. сборка печатных плат в больших объемах.

Распространенные типы корпусов для поверхностного монтажа (SMT).

Компоненты для поверхностного монтажа выпускаются в различных корпусах, и способ проверки каждого из них зависит от того, видны ли его контакты.

Схема проста: компоненты с видимыми выводами (SOIC, QFP) и пассивные компоненты микросхем проверяются оптически, в то время как корпуса с нижним выводом и шариковыми выводами (QFN, BGA) скрывают свои соединения и требуют рентгеновского контроля. Знание этого заранее определяет как план контроля, так и конструкцию, поэтому для компонентов с малым шагом выводов и скрытыми соединениями требуется более жесткий контроль технологического процесса.

Разработка платы, готовой для поверхностного монтажа (SMT).

Плата, которая собирается аккуратно, предназначена для сборки, а не только для выполнения своих функций. Ключевые моменты проектирования с учетом технологичности производства:

• Правильно отображайте контуры зданий и рельеф местности. Контактные площадки должны соответствовать рекомендованному рисунку детали; неправильные посадочные места приводят к дефектам размещения и пайки.
• Разумные размеры отверстий для пасты и конструкция трафарета. Отверстия трафарета должны обеспечивать нанесение необходимого объема пасты, особенно для деталей с мелким шагом и нижним расположением выводов.
• Фидуциальные знаки. Опорные метки позволяют точно выравнивать станки, используя локальные реперные точки для устройств с малым шагом.
• Достаточное расстояние. Оставляйте зазор между деталями для их установки, оплавления припоя и проверки.
• Панели для сборки и направляющие для оснастки. Разумно используйте направляющие для панельной сборки, чтобы доска плавно скользила по всей линии.
• Правильный ламинат. Используйте материал с температурой стеклования (Tg), подходящей для температур оплавления бессвинцовых припоев.
• Обращение с лицами, чувствительными к влаге (MSL). Некоторые детали перед оплавлением необходимо подвергнуть термической обработке и бережно с ними обращаться, чтобы избежать повреждения от влаги.

Правильное определение этих параметров до начала изготовления предотвращает большинство проблем при сборке. Производитель бесплатный обзор DFM Программа проверяет посадочные места, расстояние между компонентами, метки и панельную структуру платы по сравнению с реальной линией поверхностного монтажа и выявляет проблемы на ранней стадии, когда их устранение еще обходится недорого. Качество самой платы также имеет значение, поскольку качество сборки напрямую зависит от качества сборки. Производство печатных плат Под ним, а также в высокоскоростных или радиочастотных конструкциях предъявляются дополнительные требования, связанные с высокоскоростное производство печатных плат и материалы с низкими потерями.

Профиль оплавления, этап за этапом

Печь для оплавления — это место, где фактически формируются паяные соединения, и её температурный режим настраивается под плату и её компоненты. Типичный режим включает четыре этапа.

Правильный выбор каждого этапа имеет значение: слишком быстрый нагрев может повредить детали или вызвать дефекты, слишком короткий период выдержки приводит к неравномерному нагреву, а неправильный пик вызывает слабые или холодные соединения. Профиль зависит от массы и материалов платы, поэтому для тепловых подложек с высокой теплопроводностью необходимы специально разработанные профили, используемые в сборке с металлическим сердечником.

Припои: бессвинцовые и свинцовые

В большинстве современных производственных процессов используется бессвинцовый припой, обычно это сплав олова, серебра и меди (SAC), который плавится при более высокой температуре, поэтому требует более высокого пика оплавления и ламината, рассчитанного на такую ​​температуру. Свинцовый (оловянно-свинцовый) припой плавится при более низкой температуре и до сих пор используется в некоторых специализированных областях применения. Сплав определяет пиковую температуру и влияет на выбор материала, поэтому его выбор осуществляется одновременно с выбором ламината платы на этапе производства печатных плат.

Контроль, испытания и качество

Качество на линии поверхностного монтажа обеспечивается за счет контроля на нескольких этапах и подтверждается тестированием в конце.

Проверка в ходе процесса

• SPI Проверяет паяльную пасту перед нанесением.
• Автоматизированный оптический контроль Проверяет правильность установки и видимые стыки после оплавления.
• Рентген Проверяет скрытые соединения в корпусах QFN и BGA.

Проверка готовой платы

• Функциональный тест включает плату и подтверждает, что она работает должным образом.
• Внутрисхемный тест (ICT) or испытание летающего зонда Проводит электрическую проверку отдельных цепей и компонентов.

Послойная проверка и тестирование позволяют выявлять дефекты на ранней стадии и подтверждать работоспособность платы до ее отгрузки. По мере роста объемов производства статистический контроль процесса обеспечивает стабильность линии, благодаря чему каждая плата ведет себя как первая, что является разницей между единичным экземпляром и надежным производством.

Сборка SMT — это точная автоматизированная последовательность действий: наклеивание, проверка, размещение, оплавление припоя, проверка, которая превращает голую плату и катушку компонентов в готовый продукт. Если проектировать процесс с самого начала, результат будет чистым и хорошо тестироваться. Подробнее можно узнать здесь. о компании Highleap Electronics а также наши возможности по поверхностному монтажу и гибридной сборке.

Часто задаваемые вопросы

Что означает аббревиатура SMT?

Технология поверхностного монтажа. Компоненты размещаются на контактных площадках на поверхности платы и припаиваются в печи оплавления, вместо того чтобы использовать выводы, проходящие через просверленные отверстия. Это позволяет создавать компактные, плотные, высокоавтоматизированные сборки и является доминирующей технологией в современной электронике.

Какие этапы включает в себя сборка SMT-компонентов?

Процесс включает в себя: нанесение паяльной пасты через трафарет, контроль паяльной пасты (SPI), установку компонентов, пайку оплавлением в термостатированной печи, а также автоматизированный оптический и рентгеновский контроль. На двухсторонних платах сначала обрабатывается более светлая сторона, затем плата переворачивается, и обрабатывается вторая сторона.

Почему компоненты BGA и QFN нуждаются в рентгеновском контроле?

Их паяные соединения расположены под корпусом, BGA-чипы — на сетке из шариков, QFN-чипы — на нижних выводах, поэтому камеры не могут увидеть сами соединения. Рентгеновский контроль позволяет проверить правильность формирования скрытых соединений, проверив их на наличие повреждений внутри корпуса.

Могут ли компоненты для поверхностного монтажа и компоненты для сквозного монтажа размещаться на одной плате?

Да, и большинство изделий являются гибридными. Сначала компоненты для поверхностного монтажа припаиваются методом оплавления, затем компоненты для сквозного монтажа добавляются методом селективной или волновой пайки. Сквозной монтаж используется для разъемов, мощных компонентов и элементов, подверженных механическим нагрузкам.

Что упрощает сборку печатной платы с использованием технологии поверхностного монтажа (SMT)?

Правильные посадочные места, хорошо спроектированные отверстия для пасты, реперные точки для выравнивания, достаточное расстояние между деталями, разумная панельная сборка с направляющими, ламинат, рассчитанный на температуру оплавления, и надлежащая обработка деталей, чувствительных к влаге. Предварительная проверка DFM перед изготовлением подтверждает правильность всех этих параметров.

Как тестируется собранная плата SMT?

Контроль качества на всех этапах процесса (SPI, AOI и рентгеновский контроль скрытых соединений) выявляет дефекты пайки, а готовая плата проверяется функциональным тестированием и, при необходимости, внутрисхемным или зондовым тестированием. Статистический контроль процесса обеспечивает стабильность результатов при больших объемах производства.