Глава 5. Элементы и технология поверхностного монтажа

Что такое поверхностный монтаж?

SMT - Surface Mount Technology - технология поверхностного монтажа. Является дальнейшим естественным развитием традиционной технологии монтажа элементов в отверстия - вместо отверстий стали использовать контактную площадку на поверхности печатной платы. При этом появилась возможность значительно сократить размеры элементов, автоматизировать процесс монтажа, более точно размещать интегральные схемы, резисторы и конденсаторы и снизить себестоимость производства. Технология поверхностного монтажа требует меньшего количества дорожек и позволяет увеличить расстояния между ними. Так как емкостное взаимодействие уменьшается при удалении соседних контуров, дополнительно сокращаются перекрестные помехи. Компоненты могут легко размещаться с обеих сторон платы, что увеличивает плотность размещения. SMT-пайка более производительна. При наличии требуемого оборудования процесс перепайки и замены элементов на SMT проще, чем на платах прежней технологии. SMT интегральные схемы могут удаляться и заменяться неоднократно на одной плате без повреждения интегральной схемы или платы, что нельзя сделать с 40-выводными DIP интегральными схемами.

Необходимо отметить и недостатки. Платы с SMT-компонентами предполагают специальную разработку и автоматизированное проектирование (CAD), высокие требования к допускам и качеству. Экономически оправданным методом применения SMD компонентов при сборке печатных плат является наличие оборудования автоматизации сборки. Ручная сборка в некоторых случаях недопустима. При применении SMT появляются дополнительные издержки на программирование процесса автоматизации сборки и изготовление трафаретов.

Компоненты поверхностного монтажа

Маркировка

Компоненты для поверхностного монтажа (SMD) слишком малы, чтобы на их корпусе была нанесена стандартная маркировка. Поэтому существует специальная система маркировки таких компонентов: на корпус прибора нанесен код, состоящий из двух или трех символов. На очень малых компонентах маркировка отсутствует.

Корпуса и типоразмеры

Любой элемент для поверхностного монтажа имеет металлизированные площадки, которые соединяются расплавленным припоем с соответствующими контактами печатной платы. Кроме своего прямого назначения контакты еще выполняют функцию отвода тепла. Вследствие малых размеров и веса компонентов при пайке горячим воздухом или в инфракрасной печи ярко проявляются эффект поверхностного натяжения расплавленного припоя и закон Архимеда о выталкивающей силе. Первый проявляется в том, что расплавленный припой не растекается, а стягивается в сферическую форму в области пайки. Второй - в том, что компоненты плавают на поверхности расплавленного припоя, поскольку плотность их материала ниже плотности припоя.
Пассивные компоненты просты, а на большие микросхемы стоит обратить внимание. С точки зрения монтажа их отличает расположение выводов. В мобильных телефонах чаще всего применяются микросхемы BGA - Ball Grid Array, имеющие контактные площадки, сформированные из припоя в виде шариков, расположенных квадратно-гнездовым способом на нижней поверхности микросхемы. Для правильного позиционирования микросхем BGA на плату наносят специальные маркеры. Реже применяют микросхемы с планарными выводами, т.е. выводами по бокам микросхемы.
Все компоненты поверхностного монтажа стандартизованы.

Материалы и технология пайки

Припои и пасты

Пайку используют для монтажа и демонтажа компонентов на печатную плату. Наиболее часто при пайке оплавлением применяют припои на основе сплава олово-свинец 63/37 или составы с небольшим содержанием серебра 62/36/2. Такие сплавы имеют температуру плавления около 186oC. Идеальный профиль для пайки оплавлением с использованием этих припоев имеет пиковую температуру 215 - 219oC с выдержкой 45 - 60 секунд выше точки плавления.
Главные составляющие наиболее популярного припойного сплава - олово (Sn) 63% и свинец (Pb) 37%.
Иногда используется другой сплав: Sn 62%, Pb 36%, Ag 2%. Этот припой в основном используется при пайке посеребренных деталей. Серебро, содержащееся в припое, препятствует растворению в припое серебра с поверхности некоторых компонентов.
Паяльная паста представляет собой пастообразную массу, состоящую из сферических частиц припоя и флюса связки. Свойства паяльной пасты зависят от процентного содержания металлической составляющей, типа сплава, размеров частиц припоя и типа флюса.
В соответствии с пожеланиями потребителей паяльная паста может поставляться с размерами частиц припоя от 20 - 45 мкм или от 20 - 38 мкм. Размер выбирается исходя из требований к пайке определенных компонентов.
Кроме того, в паяльных пастах обычно содержатся:
- природная канифоль/искусственная канифоль;
- растворитель для уменьшения вязкости паяльной пасты;
- активатор для очистки загрязнений поверхности металла;
- загуститель для увеличения вязкости паяльной пасты;
- добавки для уменьшения эффекта расползания пасты после печати.
Для нормальной работы с паяльной пастой желательно, чтобы температура в помещении была 22 - 28oС, а влажность не превышала 30 - 60%.

Решением европейской комиссии по законодательству использование свинца в производстве электроники запрещено с 01.01.2006 г.

Какие же сплавы предлагают производители технологических материалов для замены припоев, содержащих свинец? Наиболее близким по своим свойствам к традиционному сплаву Sn62/Pb36/Ag2 является эвтектический (однородный и легкоплавкий) сплав Sn95,5/Ag3,8/Cu0,7, который используется в паяльных пастах и трубчатых припоях. Эвтектические сплавы предпочтительны, поскольку их кристаллизация происходит в узком температурном диапазоне, при этом отсутствует смещение компонентов, в результате чего достигается более высокая надежность паяных соединений.
На сегодняшний день среди мировых производителей электроники сложилось единое мнение, что наилучшей бессвинцовой альтернативой для эвтектики Sn62/Pb36/Ag2 в аппаратуре общего и специального назначения является сплав Sn95,5/Ag3,8/Cu0,7с температурой плавления 217°C.
Некоторые производители технологических материалов предлагают паяльные пасты с температурами плавления 195°C, но они не получили широкого распространения. Припой Sn89/Zn8/Bi3, содержащийся в этих пастах, имеет температуру плавления, близкую к эвтектике Sn/Pb, однако наличие в его составе цинка приводит к ряду проблем. Припойные пасты на этой основе имеют очень короткое время жизни, требуется флюс повышенной активности, при оплавлении образуется труднорастворимая окалина, паяные соединения подвержены коррозии, требуется обязательная промывка соединений после пайки.

Монтажные флюсы

В процессе пайки флюсы обеспечивают растворение оксидов и сульфидов, защиту паяемых поверхностей от повторного окисления, снижение поверхностного натяжения припоя.
Материалы, предлагаемые в качестве флюсов для пайки электронных изделий, могут относиться к смолосодержащим и смолонесодержащим.
Основу смолосодержащих флюсов, как правило, составляет канифоль, представляющая собой смесь органических кислот. Главный компонент этой смеси - абиетиновая кислота. Органические кислоты - такие как салициловая, молочная, стеариновая, лимонная, муравьиная и т. д. - также могут быть использованы для подготовки поверхности к пайке, однако из-за их большей активности они требуют более аккуратного обращения и тщательной промывки изделий после пайки. Эти кислоты, как и некоторые их соединения, чаще используются в качестве активаторов и добавок к флюсам на основе канифоли.
Уровень кислотности флюса на основе чистой канифоли очень мал, но в результате ее растворения и в процессе нагрева при пайке происходит ее активация. Процесс активации канифоли начинается при температуре около 170 °С. При сильном нагреве (более 300 °С) происходит интенсивное разложение канифоли и потеря ее флюсующих свойств.
Предлагаемые на рынке флюсы классифицируют по степени активности следующим образом.

Тип R (от англ. rosin - канифоль) представляет собой чистую канифоль в твердом виде или растворенную в спирте, этилацетате, метиленэтилкетоне и подобных растворителях. Это наименее активная группа флюсов, поэтому ее используют для пайки по свежим поверхностям или по поверхностям, которые были защищены от окисления в процессе хранения. Эта группа флюсов не требует удаления их остатков после пайки.

Тип RMA (от англ. rosin mild activated - слегка активированная канифоль) - группа смолосодержащих флюсов с различными комбинациями активаторов: органическими кислотами или их соединениями (диметилалкилбензиламмонийхлорид, трибутилфосфат, салициловая кислота, диэтиламин солянокислый, триэтаноламин и др.). Эти флюсы обладают более высокой активностью по сравнению с типом R. Предполагается, что в процессе пайки активаторы испаряются без остатка, вследствие чего этот флюс тоже не требует отмывки. Но очевидно, что процесс пайки должен быть гарантированно завершен полным испарением активаторов. Такие гарантии может обеспечить только машинная пайка с автоматизацией температурно-временных процессов (температурного профиля пайки).

Тип RA (от англ. rosin activated - активированная канифоль). Эта группа флюсов рекламируется для промышленного производства электронных изделий массового спроса. Несмотря на тот факт, что данный вид флюса отличается более высокой активностью по сравнению с упомянутыми выше, он также не требует смывки, поскольку его остатки не проявляют видимой коррозионной активности.

Тип SRA (от англ. super activated rosin - сверхактивированная канифоль). Эти флюсы были созданы для нестандартных применений в электронике. Они могут использоваться для пайки никелесодержащих сплавов, нержавеющих сталей и материалов типа сплава ковар. Флюсы типа SRA очень агрессивны и требуют тщательной отмывки при любых обстоятельствах, поэтому их использование в электронике строго регламентировано.

Тип No-Clean (не требует смывки). Эта группа специально создана для процессов, где нет возможности использовать последующую отмывку плат или она затруднена по каким-то причинам. Основное отличие этой группы состоит в крайне малом количестве остатков флюса на плате по окончании процесса пайки.
До сегодняшнего дня наиболее распространенным растворителем является спирто-бензиновая смесь. Спирт смывает остатки канифоли, бензин - жиры и масла, в том числе жировой секрет отпечатков пальцев. Спирт образует с растворенными в нем загрязнениями азеотропную смесь, то есть испаряется вместе с ними. Бензин, испаряясь, оставляет на поверхности, растворенные в нем компоненты. Но в сочетании со спиртом его моющие свойства улучшаются. Однако основным ее недостатком является то, что она не смывает минеральные соли от прикосновений рук.