Smd монтаж что это

Особенности и этапы SMD-монтажа печатных плат

Современная электронная техника обладает высокой функциональностью. Достигается это не только интегральными компонентами и программным обеспечением, но и количеством радиодеталей. Их делают компактными, а соединение плотным.

SMD-монтаж (крепление деталей пайкой непосредственно к дорожкам печатной платы) по сравнению с установкой в отверстия является наиболее эффективным. Рассмотрим основные этапы и особенности процесса вместе с компанией «ЗУМ-СМД».

Что такое SMD-монтаж

Предшественником технологии поверхностного монтажа является сквозное крепление деталей в отверстия печатной платы. Таким способом выводы припаиваются к медным дорожкам с обратной стороны. Связано это с тем, что детали изготавливались преимущественно в металлических корпусах с относительно большим весом, что требовало надежности для их крепления. Эта технология используется до сих пор, также в сочетании с SMD-монтажом. Суть же последней состоит в том, что детали крепятся пайкой только со стороны дорожек печатной платы.

Преимущества процесса:

• Отсутствует надобность сверления отверстий, меньше технологических процессов.
• При использовании двух поверхностей печатной платы площадь участка для размещения деталей увеличивается в 2 раза.
• Увеличенная плотность компоновки.
• Уменьшение ёмкостных, индуктивных связей.
• Автоматизированный процесс проходит быстрее и дешевле.

Не все электронные компоненты подходят для технологии SMD-монтажа, поэтому производители выпускают радиодетали двух типов корпусов: DIP и SMD.

Некоторые элементы в DIP корпусах подходят для поверхностного монтажа, но после специальной обработки — загибания и укорачивания выводов. В категорию компонентов в SMD-корпусах входят только малогабаритные и маловесные радиодетали, они не могут использоваться для сквозного крепления. Для монтажа емких по габаритам и весу деталей в устройствах с SMD-монтажом используют болтовое крепление, скобы, клипсы, а также другие дополнительные элементы крепежа.

Этапы автоматизированного SMD-монтажа

Технология пайки включает в себя такие этапы:

• Точечное нанесение на заранее подготовленную плату паяльной пасты с помощью специализированного принтера.
• Установка (с помощью роботизированных автоматов) электронных компонентов, которые временно фиксируются вязкой способностью паяльной пасты.
• Температурная обработка при которой паяльная паста оплавляется, припаивая выводы, находившиеся в контакте с ней.
• Очистка изделия от материалов образовавшихся при оплавлении паяльной пасты, содержащей флюсы.
• Нанесение защитного слоя.

При этом на всех этапах обработки осуществляется компьютеризированный контроль, который своевременно выявляет возникновение ошибок. Платы с зафиксированными сбоями процесса SMD-монтажа отправляются в специальный отдел для исследования — принятия решения и устранения ошибок. Далее, при необходимости, они могут быть направлены на последующие этапы процессов монтажа.

Современная технология SMD-монтажа обладает высокими качественными свойствами. На это влияют хорошая проработка процессов на всех этапах производства и тесное сотрудничество с производителями оборудования и материалов.

SMD монтаж

Технология поверхностного монтажа (SMT) зародилась в 1960-х годах и спустя 20 лет приобрела широкое применение в производстве электроники. Поверхностный монтаж позволил 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.

SMD компоненты: резисторы, конденсаторы, микросхемы имеют весьма маленькие размеры. При демонтаже такой мелочёвки иногда приходится пользоваться увеличительным стеклом.

На фото – SMD монтаж, точнее электронная плата современного MP3-плеера.

А вот так SMD конденсаторы.

А так SMD светодиоды.

В промышленности SMD монтаж производится с помощью специального оборудования. Для пайки применяется паяльная паста. Пастой покрываются контактные площадки для элементов. Далее происходит автоматическая установка SMD деталей, после чего поверхность с паяльной пастой нагревают термофеном или инфракрасным излучением. Под действием тепла паяльная паста расплавляется, происходит пайка.

Использовать SMD можно и в кустарных условиях. Для пайки SMD элементов необходимо применять соответствующие инструменты. Паять SMD детали лучше маломощным паяльником на 18 – 25 Вт, чтобы исключить перегрев. SMD компоненты боятся высокой температуры, время пайки нужно минимизировать или паять с перерывами. Для демонтажа миниатюрных элементов используется термопинцет или термовоздушный паяльник.

SMT-монтаж. Технология сборки

SMT (surface mount technology) ― англоязычная аббревиатура, обозначающая технологию монтажа на поверхность (ТМП). Ее иногда путают с SMD, но последняя означает не саму процедуру, а устанавливаемые элементы (surface mounted device).

Сборка по ТМП предполагает особую методику производства печатных плат (ПП). Она отличается от традиционной сквозной технологии установки элементов (THT, Through Hole Technology) тем, что требует фиксации чип-компонентов только на поверхность подложки со стороны размещения токопроводящих дорожек, а также не предполагает сверления отверстий. Методика зародилась еще в 1960-х гг., а спустя 20 лет стала лидирующей. Она и сегодня применяется чаще других. Это связано с тем, что технология, а также используемая компонентная база обеспечивают ряд преимуществ, повышающих скорость производства и качество результата.

SMD-монтаж (Surface Mount Device) — это технология установки электронных компонентов на поверхности печатных плат, когда компоненты монтируются путем нанесения пасты с паяльными порошками на поверхность платы, а затем происходит нагревание и плавление паяльной пасты, которая фиксирует компоненты на плате.

SMD-монтаж является более компактной и эффективной технологией, чем традиционный THT-монтаж (Through Hole Technology), когда компоненты устанавливаются в отверстия печатной платы и фиксируются внутри платы.

Этапы сборки по ТМП

В типовом варианте SMT-производство печатных плат состоит из следующих операций.

• 1. Изготовление диэлектрической подложки.
• 2. Нанесение на контактные площадки паяльной пасты (выполняется методом ручного или автоматизированного дозирования, трафаретной печати).
• 3. Установка чип-компонентов на поверхность ПП.
• 4. Групповая пайка элементов путем оплавления паяльной пасты в конвекционной или инфракрасной печи.
• 5. Очистка диэлектрической пластины с установленными деталями (необходимость этого этапа зависит от активности флюса).
• 6. Нанесение защитных слоев.

Поверхностный монтаж может предполагать индивидуальную пайку компонентов струей азота или воздуха, но эта процедура обычно требуется при мелкосерийном производстве или ремонте печатной платы.

Недостатки Surface mount technology

При всех плюсах поверхностной установки электронных деталей ее нельзя назвать универсальным методом производства. Технология уступает сквозной методике из-за своей сложности. Она требует задействования дорогого оборудования и привлечения высококвалифицированных кадров. Вместе с этим, платы, произведенные методом SMT, требуют особых условий хранения.

При использовании поверхностной установки также нужно принимать в расчет близость всех компонентов на пластине. Это говорит о наличии теплового контакта, требующего учета разности тепловых коэффициентов материалов и их иных характеристик. Иначе есть риск появления перенапряжения и отрыва элементов. Еще одна сложность работы с Surface mount technology заключается в необходимости точного соблюдения температур, а также времени нагрева при групповой пайке, что позволит избежать появления не пропаянных или перегретых участков.

Преимущества поверхностной сборки

Для ТМП используют компоненты меньших размеров с малой длиной выводов или без таковых. Отсутствие отверстий избавляет от потребности в прогреве припоя внутри них. Кроме этого, фиксация деталей на поверхности дает возможность задействовать обе стороны печатной платы, а также допускает использованием металлического основания для электромагнитной экранизации, а также рассеивания тепла, поступающего от чип-компонентов. Эти особенности обуславливают следующие преимущества ТПМ.

• 1. Простота процедур, возможность их автоматизации, высокая скорость производства.
• 2. Снижение габаритов ПП за счет увеличения плотности установки, сокращения размеров контактных площадок.
• 3. Уменьшение себестоимости производства благодаря сокращению числа деталей и расходов на упаковку миниатюрных плат.
• 4. Улучшение электротехнических характеристик аппаратуры, повышение скорости передачи импульсов, отсутствие задержек среди сверхвысокочастотных сигналов, снижение индуктивности.
• 5. Ремонтопригодность готовых изделий с возможностью быстрого снятия, переустановки поврежденных компонентов.
• 6. Снижение брака ввиду воздействия человеческого фактора (при условии автоматизации сборки).

Технология поверхностной установки чип-компонентов оправдана при крупносерийном производстве. В остальных случаях она вызывает ряд сложностей. Радиолюбителям, радиомеханикам, сервисным инженерам, частным электронщикам проще использовать сквозную THT-сборку.

Ручной и автоматизированный SMT-монтаж печатных плат

При крупносерийном производстве электротехники предпочтительным остается автоматизированный монтаж. Если же речь идет о создании единичных экземпляров, лучше проводить работы вручную, так как настройка конвейерного оборудования окажется неоправданно продолжительной. SMT-монтаж, выполняемый мастером, а не машиной также рационален при необходимости ремонта, перепайки, усовершенствования платы, создании ее прототипа.

Ручной SMT-монтаж имеет ряд положительных черт.

• 1. Высокое качество сборки ввиду отсутствия риска появления машинного брака.
• 2. Индивидуальный подход, возможность быстрой модернизации готового изделия под новые требования заказчика.
• 3. Отдельная фиксация элементов исключает риск перегрева во время пайки.

Поверхностный монтаж, выполненный руками мастера, повышает трудоемкость работ. Вместе с этим возрастает и их цена. По этой причине ручной SMT-монтаж целесообразен только для выпуска небольших партий.

Производство с помощью SMD-монтажа

Производство с помощью SMD-монтажа обеспечивает более высокую производительность и точность изготовления электронных устройств, а также позволяет снизить затраты на производство благодаря уменьшению времени и затрат на монтаж.

В процессе SMD монтажа, важным компонентом являются паяльные пасты, которые играют решающую роль в эффективной фиксации компонентов на поверхности печатной платы. Пасты должны подбираться с учетом требований качества и размеров компонентов, а также режимов нагрева при монтаже.

Для повышения точности и качества монтажа, важно учитывать возможные требования по масштабированию (upscaling) производства, чтобы обеспечить оптимальную работу компонентов.

SMD-монтаж является неотъемлемой частью производства электроники и в условиях быстро меняющегося рынка необходимо постоянно развиваться и совершенствовать технологии монтажа для обеспечения конкурентоспособности и качественного производства.

SMT-монтаж и SMD-компоненты

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.

Для начала давайте разберёмся в терминологии.

• Поверхностный монтаж сокращённо называется SMT (от англ. SurfaceMountTechnology – 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 SurfaceMountDevice, 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 THT – Throuth 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)

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. Её можно определить исходя из габаритов самого элемента. Все SMD-резисторы имеют корпус определённого типоразмера. Типоразмеры стандартизированы. Каждому соответствует своя мощность рассеивания.

Но, это только в том случае, если чип-резистор не принадлежит к какой-либо особой, высокомощной серии. Стоит также понимать, что самую достоверную информацию на элемент стоит искать в даташите на него (или на серию, к которой он принадлежит).

А вот так выглядят SMD конденсаторы.

Керамические SMD-конденсаторы

В качестве SMD-конденсаторов широкое распространение получили многослойные керамические конденсаторы (MLCC – MultiLayer 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

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-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.

Стабилитрон на 18V (DL4746A) в стеклянном корпусе MELF

А вот так выглядит 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

• №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).

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.

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.

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.

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.