EN
А Повърхностно монтирано устройство е един от най-фундаменталните строителни елементи в съвременното проектиране на печатни платки проектиране на платка с печатни вериги . За разлика от по-старите компоненти с преминаващи отвори, които изискват изводи, вмъкнати в пробити отвори, повърхностно монтираното устройство се монтира директно върху повърхността на печатна платка, което значително намалява размерите на платката, подобрява сигнала и позволява автоматизирана високоскоростна сглобка. Разбирането на начина, по който повърхностно монтираното устройство функционира в разположението на печатна платка, е от съществено значение за всеки инженер, специалист по набавки или разработчик на продукти, работещ в електрониката днес.
Всеки повърхностно монтиран компонент взаимодейства с печатна платка чрез прецизна комбинация от механични, електрически и термични механизми. Начинът, по който повърхностно монтиран компонент се прикрепва към медни площадки, предава електрически сигнали и се интегрира в електрическата верига, определя надеждността и производителността на крайния продукт. В тази статия подробно се обяснява как работи повърхностно монтиран компонент през целия жизнен цикъл на проектирането на печатна платка – от създаването на посадъчния контур и нанасянето на паста до рефлоу запояването и функционалната работа.
Физическата структура на повърхностно монтиран компонент
Анатомия на компонента и геометрия на площадките
Всеки повърхностно монтиран компонент се състои от компактно тяло, което съдържа активен или пасивен елемент, както и от метални изводи или краища, които контактуват с повърхността на печатната платка. Изводите на повърхностно монтиран компонент са проектирани така, че да се подравнят точно със съответстващите медни площадки за монтаж върху платката. Тези площадки се определят по време на проектирането на печатната платка чрез посочване на посадъчните места на компонентите, които задават точните размери, разстояния и ориентация, необходими за всеки тип повърхностно монтиран компонент. Точното проектиране на посадъчното място е от решаващо значение, тъй като всяко несъответствие между изводите на повърхностно монтиран компонент и съответната му площадка за монтаж може да доведе до лоши лепени връзки, ефект на „гробище“ (tombstoning) или прекъснати вериги.
Повърхностно монтираните компоненти се предлагат в множество форми на опаковки, включително резистори, кондензатори, индуктори, интегрални схеми във формати QFP или BGA и дискретни полупроводникови елементи. Всеки тип опаковка на повърхностно монтираните компоненти изисква специфични изисквания към контактните площадки, които влияят върху начина, по който се нанася оловно-калай-пастата, и върху това как компонентът се саморегулира по време на процеса на рефлоу. По-малките опаковки на повърхностно монтираните компоненти, като например 0402 или 0201, изискват по-строги допуски в сравнение с по-големите опаковки и затова се изискват високоточни системи за печатане чрез шаблон и за позициониране.
Състав на материала и електрическа функция
Вътрешната структура на повърхностно монтираното устройство варира в зависимост от неговата функция. Резистивното повърхностно монтирано устройство използва резистивна филмова пластина, нанесена върху керамична подложка, докато капацитивното повърхностно монтирано устройство използва слоести диелектрични материали между проводящи плочи. Индуктивното повърхностно монтирано устройство има намотка, навита около магнитно ядро. Във всеки случай повърхностно монтираното устройство разчита на вътрешните си материални свойства, за да регулира напрежението, филтрира сигнали, съхранява заряд или превключва ток в схемата. Електрическото поведение на повърхностно монтираното устройство е тясно свързано с размера на корпуса му, класа на допуск и работния честотен диапазон.
Процесът на сглобяване, който активира повърхностно монтираното устройство
Нанасяне на паста за лепене и поставяне на компоненти
Монтажът на повърхностно монтирано устройство (SMD) върху печатна платка започва с нанасяне на паста за лепене. Шаблон, подравнен върху голата печатна платка, нанася контролирани количества паста за лепене върху всяка контактна площадка. Правилното количество паста е критично, тъй като недостатъчно количество води до слаба връзка за повърхностно монтираното устройство, докато излишното количество може да предизвика мостове между съседни площадки. След нанасянето автоматизирана машина за вземане и поставяне позиционира всяко повърхностно монтирано устройство на определеното му място с точност до микрометър. Повърхностно монтираното устройство временно се задържа на мястото си благодарение на лепкавостта на пастата за лепене преди лепенето.
По време на поставянето визуалните системи в машината за вземане и поставяне проверяват ориентацията и положението на всяко повърхностно монтирано устройство (SMD). Всякакво несъвпадение в ориентацията на повърхностно монтирано устройство на този етап може да бъде коригирано от силата за самоцентриране, която възниква по време на рефлоу, но само в рамките на ограничения допустим толеранс. Тежкото неправилно поставяне на повърхностно монтирано устройство няма да се коригира автоматично и трябва да се установи чрез предрефлоу инспекционни системи, като например автоматична оптична инспекция или лазерно измерване на височина.
Рефлоу запояване и формиране на запойни връзки
След като всички компоненти с повърхностно монтиране (SMD) са поставени, печатната платка преминава през пещ за рефлоу според строго контролиран температурен профил. Този профил премества платката през зоните за предварително загряване, изчакване, рефлоу и охлаждане. Докато температурата нараства, флюсът в пастата за лепене се активира и премахва окисленията както от завършващите контакти на компонентите с повърхностно монтиране, така и от медните контактни площи. При максималната температура на рефлоу припоят се стопява и образува металическа връзка между компонента с повърхностно монтиране и контактната площадка на печатната платка. При охлаждане припоят се затвърдява, образувайки надеждна механична и електрическа връзка.
Качеството на лепената връзка за повърхностно монтирано устройство (SMD) пряко влияе върху дългосрочната надеждност на веригата. Фактори като завършващия слой на контактната площадка, съставът на лепката сплав, оптимизирането на профила за рефлоу и топлинната маса на повърхностно монтираното устройство всички оказват влияние върху качеството на връзката. Правилно лепената връзка за повърхностно монтирано устройство трябва да показва вдлъбнат филет, пълно смачкване на контактната площадка и нито видими въздушни мехурчета, нито пукнатини. След рефлоу инспекцията с помощта на автоматизирана оптична инспекция или рентгеново изображение се използва, за да се потвърди, че всяко повърхностно монтирано устройство е монтирано правилно.
Как функционира повърхностно монтираното устройство в електронна печатна платка (PCB)
Разпространение на сигнала и контрол на импеданса
След припояване повърхностно монтираното устройство става активен възел в електрическата мрежа на печатната платка. Токовите и сигналните пътища преминават през медните проводници, които свързват всяко повърхностно монтирано устройство с други компоненти и конектори. Позицията, на която е поставено повърхностно монтираното устройство, оказва директно влияние върху цялостта на сигнала, особено при проекти за високочестотни приложения. Повърхностно монтирано устройство, поставено твърде далеч от свързания му интегрален микросхема или силова равнина, може да внесе паразитна индуктивност или капацитет, които увреждат качеството на сигнала. Инженерите използват симулационни инструменти по време на разработването на монтажната схема, за да гарантират, че всяко повърхностно монтирано устройство е поставено така, че да се минимизират тези паразитни ефекти.
Топлинно управление и дългосрочна надеждност
Компонентите за повърхностно монтиране (Surface-Mount Device), които разсейват мощност, генерират топлина по време на работа и управлението на тази топлина е основна проектирана предизвикателство. Топлинните подложки под корпусите на компонентите за повърхностно монтиране прехвърлят топлината към медни плочи или външни топлоотводи. Надеждността на компонент за повърхностно монтиране се оценява въз основа на неговия работен температурен диапазон, топлинно съпротивление и очакваните условия на циклиране на мощността за конкретното приложение. Проектиращите инженери трябва да потвърдят, че топлинната среда около всеки компонент за повърхностно монтиране остава в рамките на зададените му граници дори при най-неблагоприятни работни условия. Неправилното управление на топлината може да ускори умората на лепените възли на компонент за повърхностно монтиране и да доведе до преждевременни откази в експлоатация.
Често задавани въпроси
Каква е разликата между повърхностно монтиран компонент и компонент с проникващи крака?
Устройството за повърхностно монтиране (SMD) се прикрепва директно към повърхността на печатната платка (PCB) чрез паста за лепене и рефлоу лепене, докато компонентът с преминаващи отвори изисква вкарване на изводите в пробити отвори и лепене чрез вълна. Устройството за повърхностно монтиране позволява по-малки размери на платките, по-добра работа на високи честоти и по-бързо автоматизирано монтиране в сравнение с технологията за компоненти с преминаващи отвори.
Може ли устройството за повърхностно монтиране да бъде преизработено след лепене?
Да, устройството за повърхностно монтиране може да бъде преизработено чрез станции за преизработване с топъл въздух, инфрачервено нагряване или лепилни желяза, в зависимост от типа корпус. Преизработването на устройството за повърхностно монтиране изисква внимателен контрол на температурата, за да се избегне повреждане на съседни компоненти или отлепване на контактните площадки на PCB. Корпусите на устройствата за повърхностно монтиране от тип BGA изискват специализирано оборудване за преизработване поради скритите си връзки чрез лепилни топчета.
Как размерът на корпуса на устройството за повърхностно монтиране влияе върху правилата за проектиране на PCB?
По-малките пакети за повърхностно монтиране изискват по-строги размери на контактните площи, по-фини отвори в шаблона и по-строги допуски при поставяне. Когато размерът на пакета за повърхностно монтиране намалява, правилата за проектиране на широчината на проводниците, разстоянието между тях и разположението на преходните отвори също трябва да станат по-строги, за да се запази цялостността на сигнала и да се осигури висок процент на успешна сглобка. Проектирането трябва да съответства точно на спецификациите на пакета за повърхностно монтиране, за да се избегнат дефекти при сглобяването и да се гарантира надеждна работа на платката.