ТИПЫ ФИКСАЦИИ ЭЛЕКТРОННЫХ КОМПОНЕНТОВ НА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЕ Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.3.049.7

ТИПЫ ФИКСАЦИИ ЭЛЕКТРОННЫХ КОМПОНЕНТОВ НА ПЕЧАТНОЙ ПЛАТЕ

© 2024 Д. В. Костин1, А. В. Будаев2

1 студент 321 группы, 11.03.04 Электроника и наноэлектроника, факультет

ФМИ

e-mail: dkost00@mail.ru 2 кандидат физико-математических наук, старший преподаватель кафедры физики и нанотехнологий e-mail: budartem@mail.ru

Курский государственный университет

В статье были описаны основные особенности различных типов фиксаций электронных компонентов на печатной плате, а также их преимущества и недостатки. Была создана сводная таблица применимости наиболее популярных технологий монтажа электронных компонентов для разных типов печатных плат.

Ключевые слова: печатные платы, типы фиксации электронных компонентов, паровая фаза, конвекционный метод, пайка плат, ИК-нагрев, волна припоя, лазерная пайка.

TYPES OF FIXATION OF ELECTRONIC COMPONENTS ON A PRINTED CIRCUIT BOARD

© 2024 D. V. Kostin1, A. V. Budaev2

1 Student of 321 groups, 03.11.04 Electronics and Nanoelectronics, Faculty of FMI

e-mail: dkost00@ mail.ru 2 Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Senior Lecturer of the Department of Physics and Nanotechnology e-mail: budartem@mail.ru

Kursk State University

The article describes the main features of various types of fixation of electronic components on a printed circuit board, as well as their advantages and disadvantages. A summary table of the applicability of the most popular electronic component mounting technologies for different types of printed circuit boards has been created.

Keywords: printed circuit boards, types of fixation of electronic components, vapor phase, convection method, soldering of boards, IR heating, wave soldering, laser soldering.

В современном мире одним из ключевых факторов успеха в производстве электронных устройств является эффективность и надежность крепления электронных компонентов на печатной плате. Данная тема актуальна для многих отраслей (автомобилестроение, аэрокосмическая промышленность, производство медицинского оборудования и многих других) в силу высокого уровня цифровизации оборудования. В этих отраслях некачественный монтаж электронных компонентов может привести к выходу из строя всего устройства без возможности устранения дефекта. Поэтому

особенно актуальным является изучение и анализ существующих технологий фиксаций электронных компонентов на печатной плате, их преимуществ и недостатков.

Электронные компоненты на сегодняшний день фиксируются на печатной плате одним из двух представленных способов монтажа (рис. 1): поверхностным (SMD -surface mount device) и выводным (DIP - Dual In-line Package или THT - Through-hole Technology) [1]. При этом DIP-монтаж является частным случаем THT-монтажа, который заключается в том, что электронные компоненты перед пайкой на печатной плате размещаются так, что их выводы устанавливаются в сквозные отверстия платы и только потом припаиваются одним из способов технологии монтажа.

"I 1111 I

ВЫВОДНОЙ

монтаж

Рис. 1. Схематический вид выводного и поверхностного монтажа электронных компонентов

В зависимости от количества одновременно устанавливаемых электронных компонентов пайка делится на два вида:

1) одновременная - диэлектрическая пластина полностью подвергается тепловому воздействию;

2) селективная - нагрев осуществляется в определенной зоне.

Технология монтажа выбирается исходя из технических характеристик платы для конечного устройства. Так, существуют универсальные и узконаправленные технологии монтажа, зависящие от типов печатных плат (однослойная, двухслойная, многослойная, гибкая, жесткая и гибко-жесткая). Далее представлена сводная таблица (табл. 1), показывающая применимость наиболее зарекомендовавших себя технологий монтажа электронных компонентов для конкретных типов печатных плат [2].

Таблица 1

Применимость технологий монтажа электронных компонентов __для разных типов печатных плат_

Типы печатных плат Технологии монтажа

Волной припоя В паровой фазе ИК-нагревом Конвекционным методом Лазерная

Однослойная печатная плата (Single Layer PCB) да да да да да

Двухслойная печатная плата (Double Layer PCB) да да да да да

Многослойная печатная плата (Multi-Layer PCB) да Температура не должна превышать 150°С да Температура не должна превышать 150°С да

Гибкая печатная плата (Flexible PCB) да нет нет нет да

Жесткая печатная плата (Rigid PCB) да да да да да

Гибко-жесткая печатная плата (Flex-rigid PCB) да нет Только определенные участки нет да

Далее будут расписаны основные особенности типов монтажа электронных компонентов с их преимуществами и недостатками.

Монтаж волной припоя

Эта технология широко используется в промышленном производстве и чаще всего применяется при использовании технологии ТНТ-монтажа (выводной монтаж). Упрощенная схема групповой пайки волной припоя представлена на рисунке 2, при этом процесс пайки происходит в несколько этапов [3]. Детали закрепляются с одной стороны пластины, а токопроводящие дорожки - с другой. Ножки электронных компонентов вставляются в сквозные отверстия, а затем наносится флюс на контактные площадки. Специальные составы обеспечивают надёжное закрепление припоя на металлических контактах. Пластина и устанавливаемые детали нагреваются. Во время пайки плат детали подвергаются воздействию высоких температур. Контактные площадки перемещаются над расплавленным припоем. Оборудование создаёт волну из жидкого припоя, который покрывает контактные площадки и ножки деталей. После охлаждения получается надёжная фиксация элементов [4]. Этот метод редко используется для закрепления компонентов БМЭ (поверхностный монтаж). В этом случае контактные площадки расположены на внешней стороне, поэтому БМЭ-компоненты подвергаются сильному нагреву. Поэтому, при всех своих плюсах, пайка волной применяется главным образом при сквозном и смешанном монтаже электронных компонентов. Далее представлена таблица преимуществ и недостатков данного типа монтажа (табл. 2).

Рис. 2. Упрощенная схема групповой пайки волной припоя [5]

Таблица 2

Преимущества и недостатки монтажа волной припоя_

Преимущества Недостатки

Высокая производительность Дорогое техническое обслуживание

Быстрая теплопередача Сложная настройка аппаратуры

Высокая точность монтажа Сложное проектирование топологии

Плотность установки компонентов

Монтаж в паровой фазе

Такой вид пайки печатных плат используется в производственных масштабах (рис. 3). Технология даёт возможность монтировать БМЭ-компоненты избегая их перегрева. Работа проводится в следующем порядке:

1. Нанесение паяльной пасты на металлические дорожки.

2. Размещение комплектующих в соответствии со схемой.

3. Установка платы в специальную камеру.

При пайке электронных компонентов таким способом нагрев всех комплектующих паяльной пасты осуществляется паром [6]. Он образуется при кипячении инертной жидкости (полисилоксан, полидиметилсилоксан, ПМС-100 - это силиконовые смазки с температурным диапазоном от -50°С до +200°С). Отличительной особенностью такого метода является возможность контролировать температуру корпуса электронного компонента. Благодаря отсутствию кислорода и инертным свойствам пара исключается вероятность возникновения окислений. В процессе кипения жидкости над ванной образуется пар, который вытесняет воздух и создаёт бескислородную среду для пайки. Электронный модуль с установленными компонентами перемещается в зону пайки и погружается в пар, где нагревается и конденсирует пар на себе. Затем модуль выводится на режим предварительного нагрева, где выдерживается при заданной температуре активации флюса (140 °С для свинцовосодержащих паяльных паст и 180 °С для бессвинцовых). После этого модуль быстро нагревается до температуры плавления припоя [6]. В таблице 3 представлены преимущества и недостатки данного метода.

LКипящий жидкий фтороуглерод Рис. 3. Схема пайки в паровой фазе [7]

Таблица 3

Преимущества и недостатки монтажа в паровой фазе_

Преимущества Недостатки

Стабильность пиковой температуры пайки Риск повреждения печатных плат и электронных компонентов из-за высоких значений температурного градиента

Высокая эффективность теплопередачи

Вариативность материалов для пайки Использование фреона в качестве рабочей жидкости, что противоречит современным экологическим требованиям

Пайка в инертной среде

Минимальные значения объема пустот в паяных соединениях

Монтаж ИК нагревом (инфракрасная пайка)

Пайка SMD-элементов на печатные платы с использованием ИК-излучения позволяет добиться высоких характеристик готового изделия и избежать перегрева. Схема пайки ИК-нагревом (рис. 4) включает два нагревателя: нижний подогреватель и верхний локальный нагреватель. Верхний нагреватель осуществляет быстрый локальный нагрев области платы до температуры плавления припоя [8]. Для пайки

используется излучение с длинами волн в диапазоне 0,72-1000 мкм, но основная часть этого диапазона — это близкое излучение (0,7-1,5 мкм), среднее излучение (1,55,6 мкм) и дальнее излучение (5,6-10,0 мкм) [9]. В данном методе есть свои преимущества и недостатки, которые представлены в таблице 4.

Рис. 4. Схема пайки ИК-нагревом [10]

Таблица 4

Преимущества и недостатки ИК-нагрева

Преимущества Недостатки

Проверенный метод серийного и массового производства, который может быть автоматизирован Неравномерность нагрева изделий, появление в них горячих точек

Высокая плотность монтажа Трудность отвода легко испаряющихся веществ (флюса, составляющих припойных паст)

Нет необходимости предусматривать специальные технологические зоны между конструктивными элементами Необходимость подбора режима пайки для каждого типа печатного узла

Нет необходимости закреплять или склеивать конструктивные элементы, по крайней мере, в случае одностороннего монтажа Избирательность по отношению к материалу

Подача тепла может осуществляться целенаправленно Ограничения по выбору элементной базы

Незначительные затраты на установку и последующие затраты

Монтаж конвекционным методом

Этот способ подходит как для БМВ-, так и для ТНТ-монтажа. Припой нагревается за счет горячего воздуха, принудительно подаваемого на плату. Чтобы исключить вероятность окисления, пайку проводят в среде инертного газа. С целью увеличения скорости монтажа нагреву подвергаются одновременно все детали. Для этого печатную плату размещают в специальной камере (рис. 5). Регулировка температуры позволяет подобрать требуемый параметр с учетом характеристик паяльной пасты [11]. При использовании этой технологии пайки печатных плат работы проводятся в следующей последовательности:

1) размещают электронные компоненты и наносят на контактные площадки паяльную пасту;

2) помещают изделие в печь и устанавливают требуемую температуру;

3) охлаждают изделие.

Пайка конвекционным методом может проводиться на конвейере [12]. При этом изделие проходит через зоны с разным температурным режимом. В таблице 5 представлены преимущества и недостатки данного метода.

Рис. 5. Схема пайки конвекционным методом [13]

Таблица 5

Преимущества и недостатки монтажа конвекционным методом_

Преимущества Недостатки

Высокая скорость процесса Ограниченная область применения для компонентов с низкой теплопроводностью

Равномерный нагрев компонентов Возможное окисление компонентов при пайке в воздушной среде

Возможность автоматизации процесса, что повышает производительность Сложное проектирование топологии

Небольшие затраты на оборудование и материалы Необходимость использования специальных материалов и оборудования для обеспечения качественной пайки

Лазерная технология

Лазерное излучение является мощным источником тепловой энергии, который действует локально (рис. 6). При пайке электронных компонентов нагревается отдельный вывод или группа выводов [14]. В то же время современные установки для сборки электронных модулей позволяют производить монтаж со скоростью около 10 контактов в секунду, что приближает производительность такой выборочной пайки к классическим видам групповой пайки [15]. Этот метод также имеет преимущества и недостатки (табл. 6).

Рис. 6. Схема пайки лазерным методом [16]

Таблица 6

Преимущества и недостатки пайки лазером_

Преимущества Недостатки

Возможность работы в разных режимах и соединения элементов разного состава Высокие требования к профессионализму персонала, необходимо знать множество нюансов для качественного выполнения работ

Бесшумность рабочего процесса

Высокая скорость работ с сохранением идеальной точности, особенно актуально на серийных производствах

Регулирование мощности излучения для подбора оптимальных рабочих параметров для каждого материала Материалы для пайки должны обладать определёнными химическими свойствами

Итак, мы рассмотрели различные типы фиксации компонентов на печатных платах, такие как пайка волной припоя, в паровой фазе, конвекционным методом, ИК-нагревом и лазерным методом. Каждый обладает своими особенностями и подходит как для нескольких типов плат, так и только для определенных видов. Среди них наиболее универсальными являются пайка волной припоя и лазерная технология, так как они подходят для всех типов печатных плат. Однако технология пайки волной припоя почти не используется для монтажа SMD-компонентов, поскольку они подвергаются сильному нагреву, который может быть губителен для таких электронных компонентов. Самым универсальным оказалась технология пайки лазером, так как она может быть использована для поверхностного и выводного монтажа, при этом данная технология характеризуется высокой точностью и скоростью пайки. К недостаткам лазерной технологии стоит отнести необходимость высокого профессионализма оператора и высокую стоимость оборудования по сравнению с другими технологиями.

Библиографический список

1 Виды монтажа печатных плат // SOLDER POINT Проектирование и серийное производство электроники. - URL: https://solderpoint.ru/blog/vidy-montazha-pechatnyx-plat (дата обращения: 10.06.2024).

2 Медведев, А. Печатные платы. Конструкции и материалы / А. Медведев. -Москва: Техносфера. 2005. - 302 с.

3 Пайка волной припоя - основные стадии технологического процесса // Jofo. -URL: https://pcb.jofo.me/1683363.html (дата обращения: 10.06.2024).

4 Монтаж на поверхность: Технология. Контроль качества / В.Н. Григорьев, А.А. Казаков, А.К. Джинчарадзе и др.; под общей редакцией И.О. Шурчкова. - Москва: Издательство стандартов, 1991. - 184 с.

5 Mimino. - URL: https://miminonino.ru/raboty/pajka-radioelementov-na-pechatnyh-platah.html (дата обращения: 12.06.2024).

6 Пайка в паровой фазе (конденсационная): настоящее и будущее электронной промышленности // Tech-e. - URL: https://tech-e.ru/2010_4_32.php (дата обращения: 10.06.2024).

7 Пайка расплавлением дозированного припоя в парогазовой фазе (ПГФ) // FindOut. - URL: https://findout.su/2x11755.html (дата обращения: 10.06.2024).

8 Инфракрасная пайка поверхностного монтажа // Инфаторг. - URL: https://infrared-heaters.ru/blog/infrakrasnaya-payka-poverkhnostnogo-montazha/ (дата обращения: 10.06.2024).

9 Ланин, В. Л. Инфракрасный нагрев в технологии поверхностного монтажа / В. Л. Ланин, В. В. Капралов // Проблемы проектирования и производства радиоэлектронных средств: материалы III Международной научно-техн. конф. Том 1. -Новополоцк. 2004. - С. 81-84.

10 Установка компонентов для поверхностного монтажа. - иЯЬ: https://studopedia.ru/26_57792_ustanovka-komponentov-dlya-poverhnostnogo-montazha-pechatnih-plat.html (дата обращения: 22.06.2024).

11 Ланин, В. Применение конвективных и инфракрасных источников для монтажа электронных модулей / В. Ланин, В. Парковский // Электронная обработка материалов. - 2009. - № 6. - С. 86-91.

12 Конвекционная пайка // Vikidalka. - иЯЬ: https://vikidalka.ru/1-87324.html (дата обращения: 10.06.2024).

13 Печи оплавления припоя // Womza. - иЯЬ: https://womza.ru/pech-oplavleniya-pripoya.html (дата обращения: 10.06.2024).

14 Ланин, В. Л. Лазерная пайка при сборке электронных модулей / В. Л. Ланин // Технологии в электронной промышленности. - 2007. - № 6. - С. 40-44.

15 Ланин, В. Л. Лазерная управляемая пайка для монтажа электронных модулей / В. Л. Ланин // Технологии в электронной промышленности. - 2010. - № 2 (38). - С. 22-27

16 Лазерная селективная пайка: универсальное решение для БМТ- и ТНТ-технологий // Sovtest. - иЯЬ: https://sovtest-ate.com/news/publications/lazernaya-selektivnaya-payka-universalnoe-reshenie-dlya-smt-i-tht-tekhnologiy/ (дата обращения: 10.06.2024).