Підготовка проекту під автоматичний монтаж друкованих плат
Багато в чому якість SMT-монтажу забезпечується ще на етапі проектування друкованого вузла. Для того щоб зменшити ймовірність виникнення проблем при монтажі, а також знизити його вартість, необхідно враховувати вимоги підприємства, що виробляє монтаж. Їх дотримання дозволить отримати найбільш повну реалізацію тих переваг, які містить в собі технологія поверхневого монтажу.
Тому приділимо увагу тим питанням розробки, які безпосередньо позначаються на процесі і якість монтажу. Деякі з наведених тут відомостей носять загальний характер і застосовні до будь-якого виробництва. Вони засновані на рекомендаціях і стандартах організацій IPC (Institute for Interconnecting and Packaging Electronic Circuits) і JEDEC (Joint Electronic Device Engineering Council). Інша інформація була отримана нашими фахівцями на основі власного досвіду роботи з нашим обладнанням. У будь-якому випадку застосування викладеної інформації на практиці допоможе змонтувати ваші вироби більш якісно, швидко і ефективно.
Розміщення компонентів
Наше обладнання дозволяє розміщувати компоненти з мінімальною відстанню один від одного 0,2 мм, а від краю плати - 1 мм (за умови наявності технологічних полів на заготівлі). Але використання максимальних технічних можливостей не завжди виправдано. В даному випадку, занадто близьке розташування компонентів дуже сильно знижує ремонтопридатність вироби, оптичну інспекцію компонентів, перевірку паяних з'єднань. Близьке розташування компонентів, різних за розмірами і теплоємності може позначатися на якості пайки.
Крім того, важливо враховувати, що розміри корпусів багатьох компонентів виходять за розміри контактних майданчиків, тому при створенні графіки компонентів бажано промальовувати їх реальні габарити або зону, яку займає компонентом, з урахуванням простору, необхідного для інспекції та ремонту. Це допоможе правильному розміщенню компонентів і дозволить уникнути помилок.
Рекомендовані зазори - 0,6 ... 0,8 мм між чіп-компонентами; 1 мм - між чіп-компонентами і великими елементами плати і 1,2 ... 1,5 мм - між мікросхемами і великими компонентами, і 1,5 мм між SMD і вивідними компонентами (див. Рис.1).
Орієнтація компонентів не має значення, тому що на нашому підприємстві метод пайки хвилею припою не застосовується.
Деякі розробники, не роздумуючи, поспішають розташовувати SMD-компоненти на обох сторонах друкованої плати. В цьому випадку виріб двічі проходить стадію монтажу, для нього двічі пишуться програми на обладнання, двічі відбувається його переналагодження, виготовляється два трафарету і т.д. Це варто робити тільки в тому випадку, якщо габарити самої плати, всілякі обмеження на зазори між провідниками, контактними майданчиками та іншими елементами плати та інші вимоги не залишають вибору. Пам'ятайте, що вартість монтажу кожного боку плати розраховується як за окремий виріб. Крім того, значно зростає вартість тестового обладнання для перевірки таких друкованих плат.
У тому випадку, якщо одностороннє розміщення компонентів неможливо, рекомендується невеликі, наприклад, пасивні, компоненти розмістити на одній стороні плати, а мікросхеми та інші «важкі» компоненти - на іншій стороні.
На малюнку нижче наведено класифікацію розміщення елементів на сторонах друкованої плати по IPC.
Контактні майданчики.
Щоб уникнути перетікання припою, довільного зміщення компонентів і інших дефектів пайки, не можна допускати розташування перехідних отворів на контактних майданчиках елементів або в безпосередній близькості від них. Як вже говорилося, необхідно, щоб контактні площадки компонентів були відокремлені від перехідних отворів, інших контактних майданчиків і т.д. паяльною маскою.
Подібне правило дуже важливо для мікросхем з малим кроком висновків - їх контактні площадки обов'язково повинні бути розділені маскою. Самі перехідні отвори, розташовані в безпосередній близькості від контактних майданчиків, бажано закрити паяльною маскою.
Елементи, розташовані всередині полігонів, повинні бути відокремлені від них термобарьерамі. Це дозволить уникнути нерівномірного прогріву різних контактних майданчиків одного і того ж компонента під час пайки і, як наслідок, зміщення цього компонента, дефектів «холодної пайки», «надгробного каменю» і т. Д.
Так само бажано поєднувати контактні площадки і широкі провідники не безпосередньо, а вузьким провідником. Параметри цього з'єднувального провідника вибираються в залежності від проходить по ньому струму. Це дозволить уникнути ефекту «холодної пайки».
Одним з найбільш важливих моментів при проектуванні друкованих вузлів є дотримання форм і розмірів контактних майданчиків. Саме невідповідність цих параметрів найчастіше призводить до виникнення таких небажаних явищ, як ефект «надгробного каменю» або «транспаранта», непропай одного з висновків компонента, відсутність контакту в паяних з'єднань, неприпустимо велике зміщення елемента. Тому при проектуванні виробу необхідно враховувати рекомендації виробників компонентів, користуватися їх специфікаціями, а для найбільш поширених компонентів - стандартами IPC і JEDEC, і зокрема, новим стандартом IPC-7351A, який регламентує розміри контактних майданчиків і інші параметри друкованих вузлів, критичні для поверхневого монтажу плат .
Мікросхеми в корпусах BGA
Перший варіант забезпечує більшу міцність паяного з'єднання, за рахунок більшої площі контакту і контакту з бічними сторонами контактної площадки, а так же краще центрування компонента і є більш гнучким і технологічним, як при виробництві друкованих плат так і при монтажі.
Перевагою другого варіанта є підвищення міцності з'єднання самої контактної площадки і діелектрика друкованої плати. Його застосування виправдане, якщо в процесі подальшої збірки, тестування або експлуатації плата може зазнавати значних вигинів або іншій фізичній напрузі, а так само при експлуатації при високих перепадах температури або якщо виріб буде проходити дуже жорсткі температурні випробування.
Якщо в документах виробника немає спеціальних вказівок на тип майданчика, рекомендується застосовувати NSMD тип.
Особливістю мікросхем BGA є те, що їх висновки приховані під корпусом, що ускладнює перевірку якості їх монтажу. Основним засобом інспекції паяних з'єднань таких мікросхем є рентгеноскопічний контроль. Але і в цьому випадку деякі дефекти, навіть такі як непропай окремих висновків буває складно виявити. Для того, що б підвищити ефективність контролю пайки цих мікросхем рекомендується надавати контактних площадок спеціальну форму (Рис.6).
При використанні таких контактних майданчиків паяні з'єднання приймає характерну форму, що значно підвищує ефективність перевірки, особливо в автоматичному режимі.
реперні мітки
На кожній платі необхідно передбачити наявність як мінімум трьох реперних міток, необхідних для систем технічного зору автоматичного обладнання.
Реперні мітки повинні представляти собою круглі майданчики діаметром 1 мм, розкриті від маски на діаметрі 3-4 мм. (Рис.7)
Вони повинні розташовуватися по кутах плати (але несиметрично) і бути максимально віддалені один від одного (Рис.8).
Бажано, щоб провідники, контактні площадки, перехідні, кріпильні отвори і інші елементи друкованої плати розташовувалися не ближче 5 мм від центру реперних міток.
Якщо на платі недостатньо місця для розміщення реперних міток, вони повинні бути розміщені на технологічних полях, що спричинить за собою збільшення їх площі (Рис.9).
Якщо на платі розміщуються великі металізовані полігони, то їх бажано розміщувати з обох сторін плати наскільки можливо рівномірно, і виконувати у вигляді сітки з провідників. Це необхідно для запобігання деформації плати при її виробництві і монтажі, при нагріванні в печі оплавлення.
Розміри плат і групових заготовок
технологічні поля
Наше обладнання дозволяє здійснювати монтаж окремих плат або групових заготовок, які не мають спеціальних технологічних отворів і полів. Однак в цьому випадку по довгих сторонах плати компоненти повинні бути розташовані не ближче 5 мм від краю. Якщо поверхнево-монтовані елементи розміщені по обидва боки плати, це правило повинне дотримуватися і для другої сторони. В іншому випадку за довгим сторонам плати або мультізаготовкі необхідно розмістити технологічні поля шириною 5 мм.
Поділ заготовок на плати
Для поділу плат між собою і технологічними полями існує два методи: скрайбірованіе і фрезерування по контуру плати. У першому випадку за прямими лініями розділу плат і полів наносяться надрізи, які залишають в цих місцях перемичку, розмір якої визначає як жорсткість всієї заготовки в цілому, так і легкість її подальшого поділу. Якщо плати будуть монтуватися на автоматичних лініях, використовують більш товсті перемички (Ріс.11a), для забезпечення більш високої жорсткості заготовки в цілому. Для поділу плат в подальшому використовується спеціалізоване обладнання, яке не викликає стресових навантажень на друковану плату.
Для ручного монтажу і поділу ці перемички робляться значно тонше (Ріс.11б), що забезпечує легке ручне поділ без наслідків для друкованої плати або спаяного вироби.
Якщо плата має складний контур або потрібна високоякісна і точна обробка цього контуру, то поділ плат виконується методом фрезерування з формуванням перемичок між платами і полями, якими вони об'єднуються в заготовку (Рис.12). По краях цих перемичок робиться ряд отворів, що полегшують їх подальше розділення.
Для таких випадків необхідно на контурі плати передбачити місця для розміщення мінімум 3-х - 4-х таких перемичок.
Подібний метод так само необхідно застосовувати у випадках, коли на плати встановлюються поверхнево монтовані роз'єми (USB, SIM, карт пам'яті і т.д.), габарити яких виходять за край плати. Інакше, при застосуванні скрайбування, коректне поділ заготовок на спеціалізованому обладнанні буде неможливо.
фінішні покриття
Сучасні технології виготовлення друкованих плат надають широкі можливості по вибору фінішного покриття плат в залежності від тих чи інших особливостей або параметрів вироби. В даному розділі ми торкнемося деяких властивостей найбільш поширених фінішних покриттів, які відображаються на монтажі виробів.
Найбільш популярним на сьогоднішній день залишається покриття на основі сплаву олово-свинець (ПОС-63). Спосіб нанесення і вирівнювання припою на поверхні контактних майданчиків і відкритих ділянок міді називають HASL (або HAL) - Hot Air Solder Leveling, тобто вирівнювання припою гарячим повітрям. Це покриття давно і добре зарекомендувало себе завдяки відмінній паяемости, високої міцності паяних з'єднань, довгим збереженням властивостей до пайки, високу ремонтопридатність збірок з таким покриттям. Разом з тим це покриття має значну неплощинності і нерівномірною товщиною покриття на контактних майданчиках різного розміру і орієнтації, що може викликати проблеми при монтажі ряду сучасних компонентів, таких як BGA, QFN, компоненти з термальними висновками під корпусом і компоненти з малим кроком висновків.
Якщо на друкованій платі присутні такі компоненти, то в якості фінішного покриття краще вибрати одне з т.зв. іммерсійних покриттів: ENIG (electroless nickel / immersion gold, іноді позначається ImAu) - хімічний нікель / іммерсійне золото, ImSn - іммерсійне олово, ImAg - іммерсійне срібло. Завдяки застосуванню даних покриттів контактні площадки на платі виходять ідеально рівними, що полегшує монтаж компонентів з кульковими висновками, безвиводние компонентів і інших сучасних типів корпусів.
Перевагами иммерсионного золочення є хороша паяемости, золото добре розчиняється в припої і неподвержена швидкому потускнению і окисленню, висока довговічність покриття. Іммерсійне срібло - відносно недороге і дуже технологічне покриття з відмінною паяемости і високою міцністю паяних з'єднань. Відмінне покриття для виробництва клавіатур і сенсорних панелей. Покриття з иммерсионного олова добре підходить для комутаційних плат, а завдяки товстому шару покриття і хорошою ковзної поверхні це, мабуть, краще покриття для установки роз'ємів за технологією Press-Fit.
Важливо відзначити, що всі перераховані типи покриттів, крім HASL, відповідають вимогам директиви RoHS, спрямованої на обмеження використання свинцю в електронній промисловості, і придатні для безсвинцевої пайки. Також останнім часом набуло поширення органічне захисне покриття - OSP - organic solderability preservative. Його основна відмінність від вищеописаних методів в тому, що замість металів безпосередньо на мідні контактні площадки наноситься органічний шар, що захищає мідь від окислення. При пайку цей шар повністю розчиняється. Дане покриття, як в іншому і будь-яка інша, має ряд недоліків: короткий термін зберігання до пайки, паяемости нижче вищеописаних, його не рекомендується застосовувати для високочастотних виробів, наявність непровідного шару може викликати проблеми з внутрісхемним електричним тестуванням і т.д. Але за деякими даними міцність паяних з'єднань на таких покриттях навіть вище ніж у HASL-покриттів і иммерсионного золота. Площинність контактних майданчиків, яку забезпечує OSP, дуже висока, тому дане покриття прекрасно підходить для установки компонентів типу BGA, безвиводние компонентів і компонентів з малим кроком висновків.
Незважаючи на те, що вимоги директиви RoHS на Україну не поширюються, вони надають непрямий вплив на українських виробників. Дуже багато виробників електронних компонентів або повністю перейшли на виробництво компонентів з безсвинцевої висновками або здійснюють поступовий перехід на такі. Зараз часто дуже складно буває укомплектувати той чи інший виріб тільки звичайними або тільки безсвинцевої компонентами. І хоча монтаж одночасно і тих і інших компонентів є не цілком коректним, часом цього уникнути просто не вдається, але завдяки застосуванню відповідних матеріалів і параметрів технологічних процесів в таких випадках все-таки вдається отримати стабільну якісну пайку.