Технология поверхностного монтажа.

 

Современный этап развития ЭА характеризуется все более широким применением новейшей элементной базы – поверхностно – монтируемых элементов: безвыводных «чипо-вых» резисторов и конденсаторов, миниа­тюрных корпусов БИС, пластмассо­вых и керамических кристаллоносителей и др., что позволяет отказаться от плат с металлизированными отвер­стиями, упростить установку элемен­тов, повысить надежность электрон­ных блоков. Технология поверхност­ного монтажа (SMT) получила офици­альное признание в 1985 г. и имеет следующие преимущества:

конструктивные:

– повышение плотности компоновки элементов в 4- 6 раз;

– снижение массогабаритных показателей в 3-5 раз;

– повышение быстродействия и помехозащищенности элементов за счет
отсутствия выводов;

– повышение виброустойчивости и вибропрочности блоков в 2 раза;

– повышение надежности блоков за счет уменьшения количества метал­
лизированных отверстий, являю­щихся потенциальным источником дефектов;

технологические:

– автоматизация сборки и монтажа элементов и повышение производи­тельности труда в десятки раз;

– исключение операций подготовки выводов и соответствующего обору­дования;

– сокращение производственных пло­щадей на 50 %;

– уменьшение затрат на материалы.

Недостатки:

– огра­ниченная номенклатура поверхност­но-монтируемых элементов;

– высо­кая стоимость;

– затрудненность отвода тепла;

– сложность контроля и ремонта.

 

При поверхностном монтаже при­меняют следующие виды корпусов:

– простые корпуса для пассивных компонентов: прямоугольной формы, например резисторов и конденсаторов;

– типа MELF (Metal Electrode Face Bonded) с вмонтированными электродами в виде металлизированных торцов;

– сложные корпуса для многовыводных полупроводниковых приборов:

– малогабаритный транзисторный (Small Outline Transistor – SOT);

– малогабаритный (Small Outline – SO) для интегральных схем;

– увеличенный малогабаритный (Small Outline Large – SOL) для инте­гральных схем;

– пластмассовые кристаллоносители с выводами (Plastic Leaded Chip Carrier - PLCC);

– безвыводные керамические кристаллоносители (Leadless Ceramic Chip Carrier – LCCC);

– керамические кристаллоносители с выводами (Leaded Ceramic Chip Carrier - LDCC);

– различные нестандартные корпуса для компонентов неправильной формы, например индуктивностей и пе­реключателей.

Большая часть чип-резисторов из­готавливается методами толстопленоч­ной технологии, которая включает от­жиг смесей оксидов металлов и кера­мики (или стекла), нанесенных на ке­рамические подложки с применением, например, шелкографии. Аналогично изготавливаются контактные площад­ки резисторов. Резисторы нередко по­крываются пассивирующим слоем стекла. После лазерной подгонки и покрытия эпоксидным составом под­ложки разрезаются на отдельные чип-резисторы.

В корпусах типа MELF изготавли­вают кремниевые диоды, высокочас­тотные катушки индуктивности с по­стоянной индуктивностью, танталовые конденсаторы, металлопленочные резисторы и устройства защиты от пе­ренапряжений, но в наибольших объ­емах производятся постоянные кера­мические конденсаторы и графитовые пленочные резисторы.

Транзисторный мини-корпус SOT применяется для корпусирования дис­кретных полупроводниковых приборов: одиночных биполярных и полевых транзисторов, диодов, стабилитронов и др. Корпус ТО-236 применяют для корпусирования кристаллов, имеющих площадь до 19,35 мм² и рассеиваемую мощность 200 мВт, а второй корпус, ТО-243, рассчитан на кристаллы площадью 38,7 мм², мощностью до 500 мВт при 25˚С. Оба корпуса с тре­мя выводами очень просты по конст­рукции: у ТО-236 выводы поочередно отходят от каждой из сторон корпуса, в то время как у ТО-243 они располо­жены по одну сторону корпуса, а цен­тральный вывод – увеличенного раз­мера для лучшего отвода тепла.

Интегральная схема в мини-корпусе SOIC/SOL напоминает уменьшенный вариант традиционного корпуса с двух­рядным расположением ленточных вы­водов (типа DIP). Обычно мини-кор­пуса поставляются в 8, 14 и 16-выводном исполнении, при этом выводы имеют форму крыла чайки и располо­жены с шагом 1,27 мм (рис. 5.14, а). Большим преимуществом этого корпу­са являются улучшенные массогабаритные характеристики по сравнению с его аналогом DIP: он на 70 % меньше по объему, на 30 % меньше по высоте, а масса такого корпуса составляет лишь 10 % массы его более крупного аналога. Кроме того, мини-корпус имеет лучшие электрические характеристики, опреде­ляющие скорость прохождения сигнала. Для переработки топологии обыч­ной схемы на DIP-корпусах в вариант с использованием SOIC/SOL-корпусов нужно внести лишь небольшие изменения, так как разводка выводов одинакова, но общий размер платы может быть уменьшен.

 

 

 

Рис. 5.14. Типы корпусов микросхем.

Стандартный мини-корпус типа SO (рис. 5.14, б) имеет ширину 3,81 мм; существует также совершенно анало­гичный корпус, называемый увели­ченным вариантом – SOL, который имеет ширину 7,62 мм. Количество выводов у этих корпусов колеблется от 16 до 28.

Пластмассовый кристаллоноситель с выводами (PLCC) раз­мещенными по всем четырем сторо­нам корпуса, обеспечивает большую плотность соединений и представляет собой почти правильный квадрат с количеством выводов от 18 до 84 (рис.5.14, в). Шаг выводов у PLCC обычно составляет 1,27 или 0,635 мм, однако для некоторых сложных СБИС применяется также шаг 0,508 мм.

Корпус PLCC характеризуется на­личием одного ряда выводов по пери­ферии. Варианты конструкции PLCC с числом выводов до 52 имеют, как правило, гибкие J-образные выводы, загибаемые под корпус при монтаже.

Наиболее распространенным типом керамических корпусов для поверхно­стного монтажа является LCCC – безвыводной керамический кристаллоноситель. Конструктивно LCCC со­стоит из трех основных элементов: металлизированного керамического основания, металлической крышки и герметизирующего материала, чаще всего специального припоя. В углах корпуса отсутствуют контактные пло­щадки, корпус имеет два ориентирую­щих ключа: один из них для оптиче­ского считывания, другой – в виде угловой фаски. Эти корпуса выбира­ются для ответственных применений, например в военной технике, аппара­туре связи и аэрокосмической техни­ке, поскольку они могут быть высоко­герметичными. Однако LCCC имеют существенные недостатки. Главным из них является рассогласование темпе­ратурных коэффициентов расширения (ТКР) корпуса и стандартной стекло-эпоксидной платы, которое способст­вует образованию и развитию дефек­тов в местах пайки при жестком термоциклировании или высоком уровне рассеиваемой мощности. Кроме того, эти корпуса относительно дороги в производстве.

Керамические кристаллоносители с выводами (LDCC/CCC) позволяют решать проблему согласования ТКР, хотя они дороже, конструктивно более сложны и пригодны лишь для воен­ных и других ответственных примене­ний, где стоимость не является основ­ным критерием выбора компонентов.

Корпус PGA имеет тонкие штыре­вые выводы, расположенные в мат­ричном порядке (рис.5.14, г).

return false">ссылка скрыта

Бескорпусные элементы, предна­значенные для поверхностного монта­жа, поставляются на пластиковых лентах, смотанных в катушки, в специальных трубчатых магазинах или россыпью. Для их установки на ПП используются автоматические уклад­чики. Станок М-2501 содержит мага­зинный питатель для подачи плат, систему позиционирования, блок по­ворота платы, вакуумный захват, мо­дуль ультрафиолетового отверждения клея, которым крепится компонент, и магазинный накопитель собранных изделий. Подача компонентов произ­водится по программе с 60 катушек. Для исключения повреждения актив­ных элементов во время транспорти­рования в диэлектрический материал ленты при формовании вводят угле­родный наполнитель, обладающий ан­тистатическим свойством.

Более универсальным является ав­томат МС-30 фирмы Excellon Micronetics (США). Он может манипули­ровать с любыми выпускаемыми для поверхностного монтажа компонента­ми. Компоненты подаются к позици­ям вакуумного захвата на катушках, в магазинах или россыпью с вибробун­кера. В автомате предусмотрены три режима работы. В первом вакуумная головка захватывает компонент, про­катывает его по барабану, покрытому паяльной пастой или эпоксидной смолой, и устанавливает на требуемое место на плате. Во втором режиме производится то же самое с двукрат­ным намазыванием, а в третьем – только захват и установка элемента.

В станке модели Microplacer фирмы МТ1 (США) компоненты захватыва­ются приспособлением, в котором программируется давление захвата, и оно определяет габариты компонента, обеспечивая функции контроля раз­меров. В приспособлении имеется также центрирующий механизм, кото­рый делает менее критичными ориен­тацию и точное размещение компо­нента в питателе. Система оптического распознавания просматривает в ре­жиме сканирования все собираемые платы, выделяя дефектные.

Автоматические укладчики для по­верхностного монтажа компонуются модулями, выполняющими другие функции, и модулями перемещения плат. Наиболее совершенным являет­ся оборудование фирмы Universal (США). В нем позиционируют сразу две платы, и пока на одну наносится точно дозированное количество клея, на второй производится установка компонента. Устанавливаемые компо­ненты подвергаются операционному контролю и при отклонении парамет­ра заменяются исправными.

Монтаж на поверхности может быть выполнен в трех различных вариантах. Первый предусматривает размеще­ние на верхней стороне платы только компонентов, монтируемых в сквоз­ные отверстия, а на нижней – компо­нентов для поверхностного монтажа. Соединение элементов с платой осу­ществляется путем пайки волной при­поя. Однако обычная волна припоя оказывается неэффективной для мон­тажа микрокорпусов, так как припой не может подтекать под них и достиг­нуть экранированных или металлизи­рованных контактных площадок. Применение двойной волны, посту­пающей из двух резервуаров, позволя­ет обеспечить полный охват припоем металлизированных участков по всему периметру. Вторичная волна также удаляет избыток припоя с монтажных соединений.

В случае смешанного расположения компонентов на каждой стороне пла­ты (второй вариант) ТП сборки усложняется (рис.5.15). Сначала мон­тируют компоненты в микрокорпусах оплавлением припоя, а затем волной припоя – остальные. Для оплавления припоя применяют индивидуальный или групповой инструмент (рис.5.16). Он захватывает микрокорпус (а), опускается на плату (б) и расплавляет припой на контактных площадках (в). После этого инструмент поднимается (г).

 

 

Рис.5.15.Схема сборки и монтажа ПП при сме­шанном расположении компонентов

 

Рис. 5.16.Монтаж микрокорпуса на плату специ­альным инструментом:

1 - толкатель, 2 - инструмент; 3 - микрокорпус

Толкатель удерживает элемент до тех пор, пока не наступит кристалли­зация припоя. В инструменте с высо­кой точностью поддерживается темпе­ратура, чтобы исключить перегрев кристалла в микрокорпусе. С помощью инструмента можно проводить также и ремонтные работы.

Третий вариант предусматривает установку элементов только на по­верхность ПП различными методами пайки.