SMD-компоненты
Технологию поверхностного монтажа печатных плат также называют ТМП (технология монтажа на поверхность), SMT (англ. surface mount technology) и SMD-технология (от англ. surface mounted device — прибор, монтируемый на поверхность), а компоненты для поверхностного монтажа также называют «чип-компонентами». Технология поверхностного монтажа является наиболее распространённым на сегодняшний день методом конструирования и сборки электронных узлов на печатных платах. Основным отличием данной технологии от «традиционной» — сквозного монтажа в отверстия — является то, что компоненты монтируются на поверхность печатной платы только со стороны токопроводящих дорожек и для этого не требуются отверстия. Сквозной монтаж и ТМП могут комбинированно использоваться на одной печатной плате. Преимущества SMD-компонентов проявляются благодаря комплексу особенностей элементной базы, методов конструирования и технологических приёмов изготовления печатных узлов.
Рис. 1. SMD-компоненты
- При использовании SMD-компонентов не нужно сверлить отверстия в платах, формировать и обрезать выводы перед монтажом. Сокращается число технологических операций, уменьшается стоимость изделий.
- SMD-компоненты меньше обычных, поэтому плата с такими элементами и устройство в целом будут более компактными.
- SMD-компоненты можно монтировать с обеих сторон платы, что еще больше увеличивает плотность монтажа.
- Устройство с SMD-элементами будет иметь лучшие электрические характеристики за счет меньших паразитных емкостей и индуктивностей.
Недостатки SMD-компонентов: для монтажа нужно специальное оборудование и технологии.
Рис. 2. Печатная плата с SMD-компонентами
Урок 6 — SMD компоненты
Мы уже познакомились с основными радиодеталями: резисторами, конденсаторами, диодами, транзисторами, микросхемами и т.п., а также изучили, как они монтируются на печатную плату. Ещё раз вспомним основные этапы этого процесса: выводы всех компонентов пропускают в отверстия, имеющиеся в печатной плате. После чего выводы обрезаются, и затем с обратной стороны платы производится пайка (см. рис.1).
Этот уже известный нам процесс называется DIP-монтаж. Такой монтаж очень удобен для начинающих радиолюбителей: компоненты крупные, паять их можно даже большим «советским» паяльником без помощи лупы или микроскопа. Именно поэтому все наборы Мастер Кит для самостоятельной пайки подразумевают DIP-монтаж.
Рис. 1. DIP-монтаж
Но DIP-монтаж имеет очень существенные недостатки:
— крупные радиодетали не подходят для создания современных миниатюрных электронных устройств;
— выводные радиодетали дороже в производстве;
— печатная плата для DIP-монтажа также обходится дороже из-за необходимости сверления множества отверстий;
— DIP-монтаж сложно автоматизировать: в большинстве случаях даже на крупных заводах по производству электронику установку и пайку DIP-деталей приходится выполнять вручную. Это очень дорого и долго.
Поэтому DIP-монтаж при производстве современной электроники практически не используется, и на смену ему пришёл так называемый SMD-процесс, являющийся стандартом сегодняшнего дня. Поэтому любой радиолюбитель должен иметь о нём хотя бы общее представление.
SMD монтаж
SMD компоненты (чип-компоненты) — это компоненты электронной схемы, нанесённые на печатную плату с использованием технологии монтирования на поверхность — SMT технологии (англ. surface mount technology).Т.е все электронные элементы, которые «закреплены» на плате таким способом, носят название SMD компонентов (англ. surface mounted device). Процесс монтажа и пайки чип-компонентов правильно называть SMT-процессом. Говорить «SMD-монтаж» не совсем корректно, но в России прижился именно такой вариант названия техпроцесса, поэтому и мы будем говорить так же.
На рис. 2. показан участок платы SMD-монтажа. Такая же плата, выполненная на DIP-элементах, будет иметь в несколько раз большие габариты.
SMD монтаж имеет неоспоримые преимущества:
— радиодетали дешёвы в производстве и могут быть сколь угодно миниатюрны;
— печатные платы также обходятся дешевле из-за отсутствия множественной сверловки;
— монтаж легко автоматизировать: установку и пайку компонентов производят специальные роботы. Также отсутствует такая технологическая операция, как обрезка выводов.
SMD-резисторы
Знакомство с чип-компонентами логичнее всего начать с резисторов, как с самых простых и массовых радиодеталей.
SMD-резистор по своим физическим свойствам аналогичен уже изученному нами «обычному», выводному варианту. Все его физические параметры (сопротивление, точность, мощность) точно такие же, только корпус другой. Это же правило относится и ко всем другим SMD-компонентам.
Рис. 3. ЧИП-резисторы
Типоразмеры SMD-резисторов
Мы уже знаем, что выводные резисторы имеют определённую сетку стандартных типоразмеров, зависящих от их мощности: 0,125W, 0,25W, 0,5W, 1W и т.п.
Стандартная сетка типоразмеров имеется и у чип-резисторов, только в этом случае типоразмер обозначается кодом из четырёх цифр: 0402, 0603, 0805, 1206 и т.п.
Основные типоразмеры резисторов и их технические характеристики приведены на рис.4.
Рис. 4 Основные типоразмеры и параметры чип-резисторов
Маркировка SMD-резисторов
Резисторы маркируются кодом на корпусе.
Если в коде три или четыре цифры, то последняя цифра означает количество нулей, На рис. 5. резистор с кодом «223» имеет такое сопротивление: 22 (и три нуля справа) Ом = 22000 Ом = 22 кОм. Резистор с кодом «8202» имеет сопротивление: 820 (и два нуля справа) Ом = 82000 Ом = 82 кОм.
В некоторых случаях маркировка цифробуквенная. Например, резистор с кодом 4R7 имеет сопротивление 4.7 Ом, а резистор с кодом 0R22 – 0.22 Ом (здесь буква R является знаком-разделителем).
Встречаются и резисторы нулевого сопротивления, или резисторы-перемычки. Часто они используются как предохранители.
Конечно, можно не запоминать систему кодового обозначения, а просто измерить сопротивление резистора мультиметром.
Рис. 5 Маркировка чип-резисторов
Керамические SMD-конденсаторы
Внешне SMD-конденсаторы очень похожи на резисторы (см. рис.6.). Есть только одна проблема: код ёмкости на них не нанесён, поэтому единственный способ ёё определения – измерение с помощью мультиметра, имеющего режим измерения ёмкости.
SMD-конденсаторы также выпускаются в стандартных типоразмерах, как правило, аналогичных типоразмерам резисторов (см. выше).
Рис. 6. Керамические SMD-конденсаторы
Электролитические SMS-конденсаторы
Рис.7. Электролитические SMS-конденсаторы
Эти конденсаторы похожи на своих выводных собратьев, и маркировка на них обычно явная: ёмкость и рабочее напряжение. Полоской на «шляпке» конденсатора маркируется его минусовой вывод.
SMD-транзисторы
Транзисторы мелкие, поэтому написать на них их полное наименование не получается. Ограничиваются кодовой маркировкой, причём какого-то международного стандарта обозначений нет. Например, код 1E может обозначать тип транзистора BC847A, а может – какого-нибудь другого. Но это обстоятельство абсолютно не беспокоит ни производителей, ни рядовых потребителей электроники. Сложности могут возникнуть только при ремонте. Определить тип транзистора, установленного на печатную плату, без документации производителя на эту плату иногда бывает очень сложно.
SMD-диоды и SMD-светодиоды
Фотографии некоторых диодов приведены на рисунке ниже:
Рис.9. SMD-диоды и SMD-светодиоды
На корпусе диода обязательно указывается полярность в виде полосы ближе к одному из краев. Обычно полосой маркируется вывод катода.
SMD-cветодиод тоже имеет полярность, которая обозначается либо точкой вблизи одного из выводов, либо ещё каким-то образом (подробно об этом можно узнать в документации производителя компонента).
Определить тип SMD-диода или светодиода, как и в случае с транзистором, сложно: на корпусе диода выштамповывается малоинформативный код, а на корпусе светодиода чаще всего вообще нет никаких меток, кроме метки полярности. Разработчики и производители современной электроники мало заботятся о её ремонтопригодности. Подразумевается, что ремонтировать печатную плату будет сервисный инженер, имеющий полную документацию на конкретное изделие. В такой документации чётко описано, на каком месте печатной платы установлен тот или иной компонент.
Установка и пайка SMD-компонентов
SMD-монтаж оптимизирован в первую очередь для автоматической сборки специальными промышленными роботами. Но любительские радиолюбительские конструкции также вполне могут выполняться на чип-компонентах: при достаточной аккуратности и внимательности паять детали размером с рисовое зёрнышко можно самым обычным паяльником, нужно знать только некоторые тонкости.
Но это тема для отдельного большого урока, поэтому подробнее об автоматическом и ручном SMD-монтаже будет рассказано отдельно.
SMT-монтаж и SMD-компоненты
Дата публикации: 18.05.2022
Время прочтения:
Ключевые слова:
Аббревиатура SMD часто используется для технологии поверхностного монтажа. Однако необходимо проводить реальное различие между понятиями самой технологии и используемых в ней элементов. Таким образом, (SMT) или, если расшифровать английскую аббревиатуру, технология поверхностного монтажа — это процесс, при котором электронные компоненты (SMD) монтируются на поверхность печатной платы. Также монтируемые составляющие называются чип-компонентами. В их число входят:
- светодиоды;
- резисторы;
- транзисторы;
- конденсаторы;
- стабилизаторы и т.д.
Технология поверхностного монтажа SMT постепенно сменила устаревшую технологию отверстий, при которой электронное устройство вставляется в отверстия печатной платы. Эта технология до сих пор используется в небольших сериях. Крупные производители используют SMT, потому что данный процесс установки полностью автоматизирован. Это также более дешевая технология. Компоненты можно размещать с каждой стороны платы, что позволяет уменьшить размер и габариты конечного продукта. Предварительное сверление не требуется. Количество бракованных изделий при использовании SMT-технологии уменьшилось.
В светотехнике многие производители используют стандартные панели со сварными элементами, в том числе светодиодными модулями. Однако трудно гарантировать качество и оригинальное происхождение внутренних электронных устройств. Все части чипа имеют одинаковую форму и не имеют маркировки производителя из-за очень маленького размера.
Наличие собственной серии SMT дает возможность создавать разные типы агрегатов, с разными наборами компонентов для выполнения конкретных задач, использовать проверенные компоненты и осуществлять контроль их монтирования на каждом этапе процесса.
Основные этапы установки SMT
Сначала паяльная паста наносится на заготовку платы трафаретным принтером. Паста представляет собой твердую массу, состоящую из сварочных смол и смол с различными химическими добавками – флюсами. В светотехнике в основном используются свинцовые, оловянные и серебряные пасты, поскольку они плавятся при более низких температурах, что важно для светодиодов.
После нанесения пасты детали конвейером транспортируются к установщику SMD, где робот укладывает их по заданным программам. Сами заготовки автоматически подаются конвеерной лентой на бобинах. У установщика есть оптическая система, которая распознает компоненты и проверяет их центровку, а также приспособления для монтажа деталей и размещения их на поверхности панели.
После сборки компонентов плита помещается в печь, где происходит спайка. В нашем производстве используется печь с 16 зонами. Сначала нагреваются обе стороны пластины. Флюсы активируются теплом и освобождают детали от загрязнителей и окислов. Флюс улучшает смачивание, когда наносится припой, а также служит для предотвращения повторного окисления в процессе спайки.
Многоступенчатый нагрев равномерно распределяет расплавленный припой по поверхности деталей и гарантирует качественное соединение. Можно сказать, что одной из важнейших технологических особенностей процесса сварки SMT является температурный профиль. Он зависит от размера и теплоемкости печатной платы со всеми деталями и рассчитывается техническим специалистом для каждого продукта в серии. Важно подобрать время нагрева и температуру так, чтобы паста расплавилась, не повредив электронные компоненты.
Ошибки при монтаже SMT
Ошибки могут возникать на разных этапах изготовления. Например, если паяльная паста наносится вручную, ее количество может быть слишком большим или слишком маленьким, и в соединениях могут появиться каверны. Некоторым нарушениям даже дали технические названия.
«Надгробие»
Чрезмерное поверхностное натяжение детали заставляет ее подниматься пол прямым углом к поверхности платы. В результате лишь один вывод припаивается к контакту.
«Собачье ухо»
Паста неравномерно распределяется в отпечатке, что может вызвать припойную перемычку.
Эффект «холодной пайки»
Из-за отсутствия нужной температуры при пайке контакт имеет серую, пористую и неровную поверхность.
«Попкорн»
Причина этого дефекта – неправильное хранение чувствительных к влаге компонентов, особенно микросхем BGA. Возникает он из-за испарения влаги, поглощаемой корпусом. При нагревании в печи влага испаряется, а выходящий пар вытесняет припой из пасты. При этом в самом элементе изначально образуется полость, которая затем превращается в трещину.
После остывания пасты платы промывают от оставшегося флюса и других агрессивных субстанций, после чего проверяют работу аккумуляторов.
Плюсы собственной монтажной линии SMT
Контроль качества
Производитель может быть абсолютно уверен, что на плате размещены товары, купленные у проверенных поставщиков. Это практически невозможно, если он имеет дело с готовыми панелями. Все части чипа имеют одинаковую форму и не маркируются из-за очень маленького размера.
Вариативное проектирование
Возможность конструировать разные типы плат с разными составными частями под конкретные производственные задачи позволяет сократить изготовление осветительных приборов и при необходимости корректировать расположение и набор деталей.
Доступность многоуровневого контроля
Речь идет о возможности проверить монтаж на каждом этапе, чтобы убедиться в качестве соединений. Это позволяет получать платы без существенных дефектов.
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».
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.
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.