Монтаж печатной платы

Монтаж печатной платы (ПП) включает в себя ряд сложных операций, которые предусматривают установку электронных компонентов с их последующим припаиванием к основе. Универсальность процессов крепления индикаторов, конденсаторов и т. д. позволяет использовать различные материалы и подложки, наилучшим образом соответствующие конкретной задаче. Тип печатной платы (гибкая, многослойная, одно- или двусторонняя) определяет плотность размещения компонентов. Крепление компонентов может осуществляться:

• оловянно-свинцовым припоем;
• эпоксидной смолой.

Для крепления платы к корпусу может использоваться технология сверхскоростного неповреждающего соединения с помощью инновационного материала – Smart Foil («умная фольга»).

При монтаже печатных плат и их контактной сборке используются три технологии пайки: поверхностная, сквозная или комбинация обеих. Первый способ предусматривает фиксацию компонентов на поверхности, покрытой электропроводящими цепями. Второй – пайку выводов в сквозные отверстия на плате. Варианты монтажа могут быть различными. Чаще всего это один из следующих четырех:

• со стороны дорожек монтируются только SMD-, с обратной – DIP-компоненты;
• с обратной стороны осуществляется монтаж выводных элементов и перемычек;
• дорожки имеются с обеих сторон. Отверстия между ними не металлизированы, поэтому потребуется установка проволочных перемычек;
• плата имеет дорожки с обеих сторон и внутри текстолита. Проводить что-то дополнительно не потребуется.

Он предназначен для крепления SMD-элементов (Surface Mounted Device) на поверхности печатной платы без использования сквозных отверстий. При поверхностном монтаже на площадки через соответствующие трафареты наносится паяльная паста. Она очищает контактные площадки ПП и компоненты от пленки оксидов и обеспечивает их надежное удержание на поверхности до начала паяльных работ. Затем расставляются электронные компоненты, после чего осуществляется пайка. Работы ведутся на автоматизированном оборудовании. SMD-монтаж применяется при изготовлении слаботочной электроники, компьютерной и иной техники, в которой используют малогабаритные элементы (чипы). Он может быть одно- или двусторонним. В последнем случае значительно сокращается количество сборочных узлов, но усложняются проектирование и выполнение сборочных операций.

Преимущества поверхностного монтажа. Суть SMT (Surface Mounted Technology) заключается в том, чтобы монтировать компоненты на поверхность печатной платы. По сравнению с технологией THT (Through Hole Technology – «сквозной») она имеет много преимуществ. К основным плюсам относятся:

• отсутствие необходимости сверлить отверстия под выводы;
• возможность монтажа SMD-элементов с двух сторон печатной платы;
• высокая плотность расположения элементов;
• уменьшение размеров готовой электроники;
• меньшая стоимость SMD-компонентов;
• большие (по сравнению с THT) возможности для автоматизации.

Как выглядит поверхностный монтаж. Все работы по креплению SMD-компонентов осуществляются с помощью специального высокоточного оборудования. Стандартный монтаж печатной платы происходит в несколько этапов.

• Нанесение паяльной пасты. Это осуществляется с помощью специальных трафаретов. В крупносерийном производстве используются автоматы (принтеры). При изготовлении небольших партий продукции применяются системы дозирования расходных материалов – паяльной пасты, компаунда и т. д.
• Установка SMD-компонентов. Операция осуществляется автоматически, с помощью специального оборудования – установщиков. В некоторых случаях происходит дополнительная фиксация на поверхности с помощью капли клея. Станок, устанавливающий компоненты, оснащен всеми необходимыми системами: забора SMD-элементов, их распознавания, установки и позиционирования на плате.
• Оплавление паяльной пасты. Для этого заготовка отправляется в печь. Оплавление может проводиться конвекцией (потоком горячего воздуха) или инфракрасным (тепловым) излучением. Процесс зависит от типа применяющейся печи.
• Очистка платы. Она включает в себя отмывку от остатков технологических веществ (флюса, агрессивных химикатов и загрязнений (жира, пыли и т. д.). Очистка платы происходит в заданной последовательности в специальных системах.

В производственном цикле используется намного больше станков и оборудования. Например, на крупных производствах используются автоматы инспекции (видеомониторинга), системы рентгеновского и иного контроля, камеры климатических испытаний и многое другое.
Чем выгоден поверхностный монтаж. Одним из основных преимуществ SMT-технологии является значительное снижение себестоимости изделий по сравнению с Through Hole Technology. Это происходит благодаря автоматизации сборочного процесса:

• паяльная паста (смесь металлического порошка, тиксотропных добавок и флюса) наносится в строго заданном количестве дозаторами методом трафаретной печати;
• монтажные автоматы устанавливают даже мельчайшие SMD-компоненты. Благодаря высокой клейкости флюса элементы надежно удерживаются в нужном месте;
• подготовленная плата перемещается в печь для оплавления припоя.

Все перечисленные автоматы связаны конвейерными лентами, благодаря чему производственный процесс является непрерывным и практически не требует вмешательства человека. На некоторых предприятиях последний этап – отмывка плат – тоже включается в общую технологическую линию.

Более 90 % элементов, которые монтируются на плату, – это SMD-компоненты. Однако небольшая часть изделий сохраняет свою объемную конструкцию и требует сквозного монтажа по типу THT (Through Hole Technology). Это такие элементы:

• DIP (Dual In-line Package). Оснащены двумя рядами выводов, расположенными на более длинных сторонах. Корпус изготавливается из полимера (PDIP) или керамики (CDIP);
• SIP (Single In-line Package). От DIP отличается тем, что выводы расположены только на одной стороне;
• ZIP (Zigzag In-line Package). Элемент имеет штырьковые вертикальные выводы, расположенные зигзагообразно.

Преобразование таких элементов в корпуса, пригодные для SMD-монтажа, невозможно или нецелесообразно. Кроме этого, сквозная пайка остается основным методом для печатных плат, для которых приоритетом является надежность, а не компактность.

Особенности объемного (сквозного) монтажа. Сначала на плате монтируются SMD-компоненты. Когда все они установлены и припаяны, осуществляется фиксация выводных элементов. Такой процесс называется сквозным, выводным, штырьковым, или DIP-монтажом. Объемный монтаж выполняется одним из трех способов и подбирается под каждый заказ индивидуально.

Ручная пайка. Долгое время этот метод являлся основным. Он выполняется с помощью паяльной станции или паяльника. Ручную пайку выбирают, если другие способы монтажа нецелесообразны, а также при ремонте печатных плат. Такой способ не слишком производительный, но позволяет выполнять работы любой сложности. Однако для этого требуется очень высокая квалификация оператора. Долгое время ручная фиксация элементов была основным способом монтажа. Сейчас все чаще используется специальное оборудование для селективной пайки, которое выполняет все работы на основе четких алгоритмов, разработанных для каждого вида платы. Управляет такой установкой опытный оператор.

Селективная пайка. Позволяет автоматизировать монтаж штырьковых (DIP, ZIP, SIP) компонентов и снизить долю ручного труда. Такая пайка целесообразна при большом объеме работ, например, на крупном производстве. При фиксации компонентов по селективной технологии используются станки с ЧПУ, которые наносят припой в соответствии с заданным алгоритмом. Возможны два способа нанесения:

• волны припоя наносятся одновременно на все контактные площадки, которые должны быть обработаны за один заход;
• нанесение паяльной пасты осуществляется с помощью лазерного/штыревого сопла, движущегося по шаблону.

Первый способ отличается высокой производительностью и целесообразен при крупносерийном производстве. Второй метод лучше применять при выпуске мелких и средних серий печатных плат.

Преимущества сквозного (объемного) монтажа. Основные плюсы THT-технологии таковы:

• высокая надежность фиксации. Такой способ выбирают для производства особо ответственной продукции;
• малый риск повреждения компонентов. В отличие от поверхностного SMD-монтажа, в сквозной технологии отсутствует нагрев в печи, благодаря чему нет опасности, что элементы перегорят или покроются микротрещинами;
• фиксацию каждого контакта контролирует опытный специалист, благодаря чему дефекты в соединениях сведены к минимуму.

Можно также отметить высокую производительность установок и хорошую повторяемость качества монтажа. При установке выводы обрезаются под размер и подгибаются. Это дает возможность зафиксировать каждый элемент до начала работ и не опасаться, что он выпадет при проведении селективной пайки.

Монтаж печатной платы включает в себя фиксацию электронных компонентов на поверхности с помощью Pb/Sn-припоя или эпоксидной смолы. Плотность размещения элементов зависит от типа основания (одно-, двустороннее, гибкое, многослойное), а при выборе метода крепления учитываются также требования к надежности. Для крепления к плате чаще всего используется смешанная технология, при которой элементы крепятся и SMT-, и THT-способами. Каждый из этих методов предусматривает обязательное применение ручного труда. Однако при поверхностном монтаже его доля минимальна, при выводном (сквозном) креплении – максимальна.

Особенности производства печатных плат. Перед началом монтажа специалисты изучают техническую документацию, создают и обрабатывают диэлектрические заготовки. В обработку входят их металлизация и создание отверстий для сквозного монтажа. Изготавливаются трафареты под нанесение припоя, подбираются комплектующие и подготавливается производственный процесс. Лишь после этого осуществляется монтаж печатной платы по требуемому алгоритму. Если крепление компонентов будет осуществляться исключительно сквозным методом, трафареты не требуются, так как флюс и припой будут наноситься вручную.

Этапы монтажа печатной платы. Независимо от сложности, выбранной технологии и плотности компонентов работы должны проводиться в определенной последовательности, которая указана в ГОСТе Р 56427-2015. Типовой процесс автоматического SMD-монтажа включает в себя такие этапы.

Нанесение паяльной пасты. Для этого используются дозирование, струйная или трафаретная печать. Паста наносится через трафарет с апертурами – отверстиями, которые точно повторяют расположение и размеры контактных площадок на ПП. Нанесение осуществляется с помощью автоматических принтеров трафаретной печати. Благодаря системе технического зрения (Machine Vision) обеспечивается точная установка трафарета. Ракель продавливает паяльную пасту через апертуры, нанося ее на контактные площадки. При этом системы принтера контролируют его рабочие параметры, точность нанесения, выявляют вероятные дефекты.

Установка компонентов. Для этого используются автоматические станки, которые отличаются по конструкции, производительности, назначению и функциональным возможностям. Одна производственная линия монтажа печатных плат может включать в себя несколько различных автоматов. Например, для высокоточной или скоростной установки, для работы с крупными компонентами или такими, что имеют сложную форму. Независимо от типа использующегося оборудования работают они в одной и той же последовательности:

• компонент захватывается из носителя (обычно ленты);
• осуществляется центрирование с помощью лазера или видеосистемы;
• компонент устанавливается на плату в заданном месте.

Перед началом монтажных работ установочное оборудование определяет позицию реперных меток на ПП и корректирует неточности.

Пайка собранных печатных плат. Наилучшее качество и производительность работ обеспечивают конвейерные печи. В них группа собранных печатных плат перемещается по конвейеру, последовательно проходя зоны, в которых установлена разная температура. Благодаря такой особенности все ПП прогреваются плавно и равномерно в течение определенного времени. После того как достигнут нужный температурный максимум, происходит постепенное охлаждение пропаянной печатной платы. Распределение воздушных потоков внутри конвейерной печи контролируется специальными модулями, которые также обеспечивают своевременное удаление веществ, выделяющихся в процессе пайки.

Контроль спаянных модулей. Система автоматической оптической проверки выявляет основные дефекты, которые могут возникать при пайке в печи. Это смещение или отсутствие компонентов, непропай, появление перемычек припоя между контактами, что ведет к короткому замыканию, и т. д. Проверка осуществляется автоматически, при этом платы с дефектами сортируются отдельно. Если это предусмотрено производством, их отправляют на ремонтный участок. Несколько сложнее проходит проверка компонентов со скрытыми выводами – QFN, CSP, BGA и других. Так как проверить их качество оптической системой невозможно, такие элементы проверяются рентгеноскопией или иным методом неразрушающего контроля.

Ремонт и замена неисправных элементов. Если по результатам испытаний, оптического или неразрушающего контроля выявлены дефекты, то неисправные компоненты заменяют. Ремонт осуществляется с помощью специального паяльника. Если же замены требует один из основных компонентов, например микропроцессор, для этой операции используют тигель припоя. Для небольших или легко удаляемых элементов применяется воздушно-вакуумная система.

Вспомогательные операции. Так как первый этап монтажа ПП включает в себя нанесение припоя через трафарет, то апертуры, через которые паяльная паста выдавливается на плату, быстро загрязняются. Поэтому в конце каждой смены они обязательно очищаются. Очистка имеет два этапа:

• предварительный. Трафареты очищаются на установке для трафаретной печати, чтобы удалить механические вещества. Для этого используются протирочный материал и разбавленный спирт;
• основной. На этом этапе используется жидкостная химическая очистка с помощью воды температурой +57 °С с невысокой концентрацией алифатических аминов. Они эффективно смывают с трафаретной платы остатки свинцово-оловянного припоя.

После завершения монтажа проверяется первичная функциональность печатной платы с помощью специального оборудования. Готовая ПП отправляется заказчику или на склад.