ГлавнаяКарта сайтаКонтакты




Мобильные приложения 


Рис. 1 Расстояние между компонентами

Рис. 2 Контактные площадки и переходные отверстия

Рис. 3 Маска между КП микросхем с малым шагом

Рис. 4 Разделение контактных площадок и полигонов

Рис. 5 NSMD и SMD площадки BGA

Рис. 6 Площадки BGA, оптимизированные под рентген-контроль

Рис. 7 Реперные метки

Рис. 8 Расположение реперных меток на плате

Рис. 9 Расположение реперных меток на заготовке

Рис. 10 Технологические поля

Рис. 11 Разделение плат скрайбированием

Рис. 12 Разделение плат фрезерованием

Подготовка проекта под автоматический монтаж печатных плат

Во многом качество SMT-монтажа обеспечивается еще на этапе проектирования печатного узла. Для того чтобы уменьшить вероятность возникновения проблем при монтаже, а также снизить его стоимость, необходимо учитывать требования предприятия, производящего монтаж. Их соблюдение позволит получить наиболее полную реализацию тех преимуществ, которые заключает в себе технология поверхностного монтажа.
Поэтому уделим внимание тем вопросам разработки, которые непосредственно отражаются на процессе и качестве монтажа. Некоторые из приведенных здесь сведений носят общий характер и применимы к любому производству. Они основаны на рекомендациях и стандартах организаций IPC (Institute for Interconnecting and Packaging Electronic Circuits) и JEDEC (Joint Electronic Device Engineering Council). Другие сведения были получены нашими специалистами на основе собственного опыта работы с нашим оборудованием. В любом случае применение изложенной информации на практике поможет смонтировать ваши изделия более качественно, быстро и эффективно.

Содержание

Размещение компонентов

Наше оборудование позволяет размещать компоненты с минимальным расстоянием друг от друга 0,2 мм, а от края платы – 1 мм (при условии наличия технологических полей на заготовке). Но использование максимальных технических возможностей не всегда оправдано. В данном случае, слишком близкое размещение компонентов очень сильно снижает ремонтопригодность изделия, оптическую инспекцию компонентов, проверку паяных соединений. Близкое расположение компонентов, разных по размерам и теплоемкости может сказываться на качестве пайки.
Кроме того, важно учитывать, что размеры корпусов многих компонентов выходят за размеры контактных площадок, поэтому при создании графики компонентов желательно прорисовывать их реальные габариты или зону, занимаемую компонентом, с учетом пространства, необходимого для инспекции и ремонта. Это поможет правильному размещению компонентов и позволит избежать ошибок.
Рекомендуемые зазоры – 0,6…0,8 мм между чип-компонентами; 1 мм – между чип-компонентами и крупными элементами платы и 1,2…1,5 мм – между микросхемами и крупными компонентами, и 1,5мм между SMD и выводными компонентами (см. рис.1).
Ориентация компонентов не имеет значения, т.к. на нашем предприятии метод пайки волной припоя не применяется.


Рис. 1 Расстояние между компонентами


Некоторые разработчики, не раздумывая, спешат располагать SMD-компоненты на обеих сторонах печатной платы. В этом случае изделие дважды проходит стадию монтажа, для него дважды пишутся программы на оборудование, дважды происходит его переналадка, изготавливается два трафарета и т.д. Это стоит делать только в том случае, если габариты самой платы, всевозможные ограничения на зазоры между проводниками, контактными площадками и другими элементами платы и прочие требования не оставляют выбора. Помните, что стоимость монтажа каждой стороны платы рассчитывается как за отдельное изделие. Кроме того, значительно возрастает стоимость тестового оборудования для проверки таких печатных плат.
В том случае, если одностороннее размещение компонентов невозможно, рекомендуется небольшие, например, пассивные, компоненты разместить на одной стороне платы, а микросхемы и другие «тяжелые» компоненты – на другой стороне.
На рисунке приведена классификация размещения элементов на сторонах печатной платы по IPC.


Контактные площадки.



Рис. 2 Контактные площадки и переходные отверстия

Рис. 3 Маска между КП микросхем с малым шагом

Рис. 4 Разделение контактных площадок и полигонов
Чтобы избежать перетекания припоя, произвольного смещения компонентов и других дефектов пайки, нельзя допускать расположения переходных отверстий на контактных площадках элементов или в непосредственной близости от них. Как уже говорилось, необходимо, чтобы контактные площадки компонентов были отделены от переходных отверстий, других контактных площадок и т.д. паяльной маской.
Подобное правило очень важно для микросхем с малым шагом выводов – их контактные площадки обязательно должны быть разделены маской. Сами переходные отверстия, расположенные в непосредственной близости от контактных площадок, желательно закрыть паяльной маской.
Элементы, расположенные внутри полигонов, должны быть отделены от них термобарьерами. Это позволит избежать неравномерного прогрева разных контактных площадок одного и того же компонента во время пайки и, как следствие, смещения этого компонента, дефектов «холодной пайки», «надгробного камня» и т. д.
Так же желательно соединять контактные площадки и широкие проводники не напрямую, а узким проводником. Параметры этого соединительного проводника выбираются в зависимости от проходящего по нему тока. Это позволит избежать эффекта «холодной пайки».
Одним из наиболее важных моментов при проектировании печатных узлов является соблюдение форм и размеров контактных площадок. Именно несоответствие этих параметров зачастую приводит к возникновению таких нежелательных явлений, как эффект «надгробного камня» или «транспаранта», непропай одного из выводов компонента, отсутствие контакта в паяном соединении, недопустимо большое смещение элемента. Поэтому при проектировании изделия необходимо учитывать рекомендации производителей компонентов, пользоваться их спецификациями, а для наиболее распространенных компонентов – стандартами IPC и JEDEC, и в частности, новым стандартом IPC-7351A, регламентирующим размеры контактных площадок и другие параметры печатных узлов, критичные для поверхностного монтажа плат.


Микросхемы в корпусах BGA

При проектировании контактных площадок под компоненты в корпусе BGA мы настоятельно рекомендуем внимательно ознакомиться и следовать рекомендациям разработчиков микросхем. Среди общих моментов, касающихся контактных площадок таких компонентов, можно выделить следующее.
Контактные площадки BGA, также как и других компонентов, должны быть изолированы термобарьерами от полигонов питания и «земли».
Переходные отверстия должны быть отделены проводником и закрыты маской.
Различают два типа контактных площадок под BGA в зависимости от вскрытия вокруг них паяльной маски: NSMD – Non Solder Mask Defined – не определенные вскрытием от паяльной маски, и SMD – Solder Mask Defined, то есть определенные паяльной маской. В первом случае площадка и небольшая область вокруг нее полностью вскрыты от маски (Рис.5а). Во втором случае вскрытие от маски выполняется с небольшим покрытием контактной площадки маской (Рис.5б).

Рис. 5 NSMD и SMD площадки BGA




Первый вариант обеспечивает большую прочность паяного соединения, за счет большей площади контакта и контакта с боковыми сторонами контактной площадки, а так же лучшее центрирование компонента и является более гибким и технологичным, как при производстве печатных плат так и при монтаже.
Преимуществом второго варианта является повышение прочности соединения самой контактной площадки и диэлектрика печатной платы. Его применение оправдано, если в процессе дальнейшей сборки, тестирования или эксплуатации плата может подвергаться значительным изгибам или другому физическому напряжению, а так же при эксплуатации при высоких перепадах температуры или если изделие будет проходить очень жесткие температурные испытания.
Если в документах производителя нет специальных указаний на тип площадки, рекомендуется применять NSMD тип.

Особенностью микросхем BGA является то, что их выводы скрыты под корпусом, что затрудняет проверку качества их монтажа. Основным средством

Рис. 6 Площадки BGA, оптимизированные под рентген-контроль
инспекции паяных соединений таких микросхем является рентгеноскопический контроль. Но и в этом случае некоторые дефекты, даже такие как непропай отдельных выводов бывает сложно обнаружить. Для того, что бы повысить эффективность контроля пайки этих микросхем рекомендуется придавать контактным площадкам специальную форму (Рис.6).
При использовании таких контактных площадок паяное соединение принимает характерную форму, что значительно повышает эффективность проверки, особенно в автоматическом режиме.

Реперные метки

На каждой плате необходимо

Рис. 7 Реперные метки
предусмотреть наличие как минимум трех реперных меток, необходимых для систем технического зрения автоматического оборудования.
Реперные метки должны представлять собой круглые площадки диаметром 1 мм, вскрытые от маски на диаметре 3-4 мм. (Рис.7)
Они должны располагаться по углам платы (но несимметрично) и быть максимально удалены друг от друга (Рис.8).

Желательно, чтобы проводники, контактные площадки, переходные, крепежные отверстия и другие элементы печатной платы располагались не ближе 5 мм от центра реперных меток.
Если на плате недостаточно места для размещения реперных меток, они должны быть размещены на технологических полях, что повлечет за собой увеличение их площади (Рис.9).

Рис. 8 Расположение реперных меток на плате

Рис. 9 Расположение
реперных меток на заготовке


Полигоны

Если на плате размещаются большие металлизированные полигоны, то их желательно размещать с обеих сторон платы насколько возможно равномерно, и выполнять в виде сетки из проводников. Это необходимо для предотвращения деформации платы при ее производстве и монтаже, при нагреве в печи оплавления.

Размеры плат и групповых заготовок

Для оптимизации автоматического монтажа применяется объединение нескольких небольших плат в одну мультизаготовку. Допустимые размеры печатного узла или мультиплицированной заготовки, состоящей из нескольких одинаковых плат, зависят от параметров оборудования, на котором будет производиться сборка. Для оборудования, которое применяет наша фирма, эти размеры должны находиться в пределах от 50 x 50 мм до 320 x 240 мм (допускаются отклонения в большую сторону, но это необходимо согласовать с нашими технологами). При этом рекомендуемое отношение длины к ширине групповой заготовки примерно 3 : 2.

Технологические поля

Наше оборудование позволяет осуществлять монтаж отдельных плат или групповых заготовок, не имеющих специальных технологических отверстий и полей. Однако в этом случае по длинным сторонам платы компоненты должны быть расположены не ближе 5 мм от края. Если поверхностно-монтируемые элементы размещены с обеих сторон платы, это правило должно соблюдаться и для второй стороны. В противном случае по длинным сторонам платы или мультизаготовки необходимо разместить технологические поля шириной 5 мм.

Рис. 10 Технологические поля

Разделение заготовок на платы

Для разделения плат между собой и технологическими полями существует два метода: скрайбирование и фрезеровка по контуру платы.

Рис. 11(а,б) Разделение плат скрайбированием
В первом случае по прямым линиям раздела плат и полей наносятся надрезы, которые оставляют в этих местах перемычку, размер которой определяет как жесткость всей заготовки в целом, так и легкость ее последующего разделения. Если платы будут монтироваться на автоматических линиях, используют более толстые перемычки (Рис.11a), для обеспечения более высокой жесткости заготовки в целом. Для разделения плат в последующем используется специализированное оборудование, не создающее стрессовых нагрузок на печатную плату.



Рис. 12 Разделение плат фрезерованием

Для ручного монтажа и разделения эти перемычки делаются значительно тоньше (Рис.11б), что обеспечивает легкое ручное разделение без последствий для печатной платы или спаянного изделия.

Если плата имеет сложный контур или требуется высококачественная и точная обработка этого контура, то разделение плат выполняется методом фрезеровки с формированием перемычек между платами и полями, которыми они объединяются в заготовку (Рис.12). По краям этих перемычек делается ряд отверстий, облегчающих их последующее разделение.

Для таких случаев необходимо на контуре платы предусмотреть места для размещения минимум 3-х – 4-х таких перемычек.

Подобный метод так же необходимо применять в случаях, когда на платы устанавливаются поверхностно монтируемые разъемы (USB, SIM, карт памяти и т.д.), габариты которых выходят за край платы. Иначе, при применении скрайбирования, корректное разделение заготовок на специализированном оборудовании будет невозможно.

Финишные покрытия

Современные технологии изготовления печатных плат предоставляют широкие возможности по выбору финишного покрытия плат в зависимости от тех или иных особенностей или параметров изделия. В данном разделе мы коснемся некоторых свойств наиболее распространенных финишных покрытий, которые отражаются на монтаже изделий.

Наиболее популярным на сегодняшний день остается покрытие на основе сплава олово-свинец (ПОС-63). Способ нанесения и выравнивания припоя на поверхности контактных площадок и открытых участков меди называют HASL (или HAL) – Hot Air Solder Leveling, т.е. выравнивание припоя горячим воздухом. Это покрытие давно и хорошо зарекомендовало себя благодаря отличной паяемости, высокой прочности паяных соединений, долгим сохранением свойств до пайки, высокой ремонтопригодностью сборок с таким покрытием. Вместе с тем это покрытие обладает значительной неплоскостностью и неравномерной толщиной покрытия на контактных площадках разного размера и ориентации, что может вызвать проблемы при монтаже ряда современных компонентов, таких как BGA, QFN, компоненты с термальными выводами под корпусом и компоненты с малым шагом выводов.

Если на печатной плате присутствуют такие компоненты, то в качестве финишного покрытия лучше выбрать одно из т.н. иммерсионных покрытий: ENIG (electroless nickel/immersion gold, иногда обозначается ImAu) – химический никель/иммерсионное золото, ImSn – иммерсионное олово, ImAg – иммерсионное серебро. Благодаря применению данных покрытий контактные площадки на плате получаются идеально ровными, что облегчает монтаж компонентов с шариковыми выводами, безвыводных компонентов и других современных типов корпусов.

Достоинствами иммерсионного золочения является хорошая паяемость, золото хорошо растворяется в припое и неподвержено быстрому потускнению и окислению, высокая долговечность покрытия. Иммерсионное серебро – относительно недорогое и очень технологичное покрытие с отличной паяемостью и высокой прочностью паяных соединений. Отличное покрытие для производства клавиатур и сенсорных панелей. Покрытие из иммерсионного олова хорошо подходит для коммутационных плат, а благодаря толстому слою покрытия и хорошей скользящей поверхности это, пожалуй, лучшее покрытие для установки разъемов по технологии Press-Fit.

Важно отметить, что все перечисленные типы покрытий, кроме HASL, соответствуют требованиям директивы RoHS, направленной на ограничение использования свинца в электронной промышленности, и пригодны для бессвинцовой пайки. Также в последнее время получило распространение органическое защитное покрытие - OSP – organic solderability preservative. Его основное отличие от вышеописанных методов в том, что вместо металлов непосредственно на медные контактные площадки наносится органический слой, защищающий медь от окисления. При пайке этот слой полностью растворяется. Данное покрытие, как в прочем и любое другое, имеет ряд недостатков: короткий срок хранения до пайки, паяемость ниже вышеописанных, его не рекомендуется применять для высокочастотных изделий, наличие непроводящего слоя может вызвать проблемы с внутрисхемным электрическим тестированием и т.д. Но по некоторым данным прочность паяных соединений на таких покрытиях даже выше чем у HASL-покрытий и иммерсионного золота. Плоскостность контактных площадок, которую обеспечивает OSP, очень высока, поэтому данное покрытие прекрасно подходит для установки компонентов типа BGA, безвыводных компонентов и компонентов с малым шагом выводов.

Несмотря на то, что требования директивы RoHS на Россию не распространяются, они оказывают косвенное влияние на российских производителей. Очень многие производители электронных компонентов или полностью перешли на производство компонентов с бессвинцовыми выводами или осуществляют постепенный переход на таковые. Сейчас зачастую очень сложно бывает укомплектовать то или иное изделие только обычными или только бессвинцовыми компонентами. И хотя монтаж одновременно и тех и других компонентов является не вполне корректным, порой этого избежать просто не удается, но благодаря применению соответствующих материалов и параметров технологических процессов в таких случаях все-таки удается получить стабильную качественную пайку.

В случаях, когда содержание свинца в устройстве не имеет значения, можно выбирать любое финишное покрытие контактных площадок. Если же речь идет о бессвинцовой технологии, то в качестве покрытий рекомендуются иммерсионные золото или серебро, OSP или т.н. бессвинцовое лужение (Lead-Free HASL).

© 1997—2016 ООО «Резонит» — печатные платы
при использовании любых материалов сайта, включая фотографии и тексты, активная ссылка на www.rezonit.ru обязательна.

pcb@rezonit.ru
(495) 777-80-80
Офис в Санкт-Петербурге:
(812) 677-80-80
Офис в Екатеринбурге:
(343) 289-33-66