Поверхностный монтаж

Выпаивание конденсатора типоразмера 0805

Конденсатор поверхностного монтажа на плате, макрофотография

Поверхностный монтаж — технология изготовления электронных изделий на печатных платах, а также связанные с данной технологией методы конструирования печатных узлов.

Технологию поверхностного монтажа печатных плат также называют ТМП (технология монтажа на поверхность), SMT (surface mount technology) и SMD-технология (от surface mounted device — прибор, монтируемый на поверхность), а компоненты для поверхностного монтажа также называют чип-компонентами. Данная технология является наиболее распространенным на сегодняшний день методом конструирования и сборки электронных узлов на печатных платах. Основным ее отличием от «традиционной» технологии сквозного монтажа в отверстия является то, что компоненты монтируются на поверхность печатной платы, однако преимущества технологии поверхностного монтажа печатных плат проявляются благодаря комплексу особенностей элементной базы, методов конструирования и технологических приемов изготовления печатных узлов.

Технология

Типовая последовательность операций в технологии поверхностного монтажа включает:

• Нанесение паяльной пасты на контактные площадки (дозирование в единичном и мелкосерийном производстве, трафаретная печать в серийном и массовом производстве)
• Установка компонентов
• Групповая пайка методом оплавления пасты в печи (преимущественно методом конвекции, а также инфракрасным нагревом или в паровой фазе
• Омывание платы (в зависимости от активности флюса) и нанесение защитных покрытий.

В единичном производстве, при ремонте изделий и при монтаже компонентов, требующих особой точности, как правило, в мелкосерийном производстве также применяется индивидуальная пайка струей нагретого воздуха или азота.

Одним из важнейших технологических материалов, применяемых при поверхностном монтаже, является паяльная паста (также иногда называемая припойной пастой), представляющая собой смесь порошкообразного припоя с органическими наполнителями, включающими флюс. Помимо обеспечения процесса пайки припоем и подготовки поверхностей паяльная паста также выполняет задачу фиксирования компонентов до пайки за счет клеящих свойств При пайке в поверхностном монтаже очень важно обеспечить правильное изменение температуры во времени (термопрофиль), чтобы избежать термоударов, обеспечить хорошую активацию флюса и смачивание поверхности припоем

Разработка термопрофиля (термопрофилирование) в настоящее время приобретает особую важность в связи с распространением бессвинцовой технологии, в которой окно процесса (разница между минимальной необходимой и максимально допустимой температурой термопрофиля) значительно у́же из-за повышенной температуры плавления припоя.

Компоненты, которые используются для поверхностного монтажа называют SMD-компонентами или КМП (компонент, монтируемый на поверхность).

История

Технология поверхностного монтажа начала своё развитие в 1960-х и получила широкое применение к концу 1980-х годов. Одним из первопроходцев в этой технологии была IBM. Элементы были перепроектированы таким образом, чтобы уменьшить контактные площадки или выводы, которые бы паялись непосредственно к поверхности печатной платы. В сравнении с традиционными, платы для поверхностного монтажа имеют повышенную плотность размещения электронных элементов, обладают меньшими расстояниями между проводниковыми элементами и контактными площадками. Часто припоя достаточно для установки компонента на плату, однако элементы на нижней ("второй") стороне платы необходимо приклеивать. Компоненты поверхностного монтажа (Surface-mounted devices (SMDs)) зачастую имеют небольшой вес и размер. Технология поверхностного монтажа зарекомендовала себя в повышении автоматизации производства, уменьшении трудоёмкости и увеличении продуктивности. Компоненты поверхностного монтажа могут быть в 4-10 раз меньше, и на 25-50% дешевле, чем аналогичные компоненты для монтажа в отверстия.

Преимущества

• Снижение массы и размеров печатных узлов за счет отсутствия выводов у компонентов или их меньшей длины, а также увеличения плотности компоновки и трассировки, уменьшения размеров самой элементной базы и уменьшения шага выводов. Плотность компоновки и выводов в данной технологии удается увеличить, в частности, за счет отсутствия необходимости в поисках контактных площадок вокруг отверстий.
• Улучшение электрических характеристик: за счет уменьшения длины выводов и более плотной компоновки значительно улучшается качество передачи слабых и высокочастотных сигналов, снижается паразитная ёмкость и индуктивность.
• Лучшая ремонтопригодность, поскольку упрощается очистка контактных поверхностей от припоя и отсутствует необходимость в прогреве припоя внутри металлизированного отверстия. Однако, ремонт в поверхностном монтаже требует специализированного инструмента и предполагает правильное применение технологических режимов.
• Возможность размещения деталей на обеих сторонах печатной платы.
• Меньшее число отверстий, которое необходимо выполнить в плате.
• Повышение технологичности, в сравнении с монтажом в отверстия процесс легче поддается автоматизации.
• Существенное снижение себестоимости серийных изделий.

Недостатки

• Повышенные требования к качеству проектирования топологии печатных плат (ПП), вынуждающие учитывать распределение тепловых полей за счёт разных теплоёмкостей и теплопроводностей элементов рисунка (коробление с отрывами) и обеспечевать рациональным выбором геометрии примерно равную скорость нагрева отдельных её участков (напр., таких, как выводы одного компонента) при технологических операциях групповой пайки, для предотвращения брака на этом этапе (напр., «эффект надгробия»).
• Повышенные требования к точности температуры пайки и ее зависимости от времени, поскольку при групповой пайке нагреву подвергается весь компонент.
• Жесткая связка безвыводных компонентов и материала ПП, которые имеют заметно отличающиеся КТР, приводящая при воздействии в процессе эксплуатации больших перепадов температур к возникновению механических напряжений вплоть до разрушения элементов конструкции. Что, соответственно, снижает надёжность устройств, эксплуатируемых в экстремальных условиях, и требует особой тщательности при проектировании ПП и использования определённых технологических приёмов при производстве.
• Высокие начальные затраты, связанные с созданием опытных образцов из-за необходимости наличия специального оборудования (инструментария) для единичного и опытного производства.
• Высокие требования к качеству и условиям хранения технологических материалов.