Монтаж печатной платы: быстрый старт с нуля
Время на прочтение9 мин
Количество просмотров104K
Если вы помните мой предыдущий пост, там было высказано желание разобраться, что и как можно добавить к понравившейся мне модели, чтобы DIY forever. Большое спасибо пользователям UseTi, Phmphx, lomalkin и в особенности n4k4m1sh1, которые поделились интересными идеями на эту тему в комментариях. Понятно, что для поставленных целей нужны два навыка, один из которых — монтаж печатной платы. А значит сегодня мы будем паять, с нуля.
С полки детского магазина был взят очередной набор, конкретно этот.
Итак, тестируем «Набор Юного электронщика». Получится ли с его помощью собрать рабочие конструкции с нуля не имея предварительных навыков, как это до того у нас получилось с механической моделью?
В наборе уже есть всё, чтобы быстро совершить сборку:
- паяльник, припой с каналом флюса (очень удобно!) и кусачки
- мультиметр
- две печатных платы с деталями
Т.е. есть что паять, чем паять и, что немаловажно — чем проверить компоненты и уже готовую схему.
Также, в набор входят две брошюры:
1. Методическое пособие, которое содержит общие сведения о приборах, деталях и процессе пайки.
2. Инструкция к сбору двух входящих в набор устройтсв и последующей настройки одного из них.
Брошюры хорошие, но, если вы помните, мне больше понравилась инструкция к роботу, где не было слов — только изображения + пошагово расписана сборка. В инструкции к этому набору пошаговой инструкции нет. В чем-то это и хорошо, потому что если ориентироваться на эти две брошюры, хочешь-не хочешь, придётся сначала всё прочитать и понять, и только затем действовать — то есть, они приучают мыслить системно. Но немного не хватает динамики, и, мне кажется, детям этого тоже может не хватать ещё больше, чем мне. Поэтому если будете собирать нечто подобное, надеюсь, этот пост сильно сэкономит вам время.
Дополнительные инструменты
Чего нет в наборе, но понадобится или может понадобится:
1. Пинцет. Мы взяли маникюрный.
2. Батарейка «Крона» на 9В
3. Крестообразная отвертка — в одной из схем есть клемма. Затянуть в ней провода получится часовой крестообразной отверткой.
4. Приспособление для пайки «третья рука» — вот уж без чего можно обойтись, хотя в инструкции и брошюре она постоянно упоминается. Конечно, с нею было бы удобнее, но если просто собрать все детали на плате, а затем её перевернуть, то обе входящих в набор платы будут относительно устойчивы и паять будет в принципе удобно и без дополнительных приспособлений.
5. Лупа
6. Оловоотсос
7. Очки и респиратор
8. Подставка для паяльника
9. Вентилятор\вытяжка
Из всего этого списка совсем туго придётся только без первых двух пунктов. Подставкой для паяльника у нас в этот раз стал робот из предыдущего поста. Остальное для монтажа двух маленьких плат было бы действительно лишним.
Зато нелишним будет напомнить, что при пайке выделяются пары олова, которые не слишком полезны для здоровья. Собственно пайка двух входящих в комплект схем заняла у меня не более 10 минут и мне не поплохело. Однако небольшой вентилятор, отгоняющий дым в сторону, или хотя бы открытое окно — это стандартная и очень хорошая практика. Кроме того, после пайки нужно вымыть руки. Глаза тоже нужно беречь — отлететь может откушенная кусачками ножка детали или в процессе пайки может отлететь капелька горячего олова (хотя у нас не отлетало). Поэтому надевайте защитные очки. Берегите себя!
Питание
Для начала, всё что нам понадобится — это докупленная отдельно батарейка «Крона». В наборе есть разъем под неё, который, по инструкции, надо впаять в первую схему. Мой совет: не делайте этого, оставьте её так и используйте в обеих схемах — и для тестирования первой, и для настройки второй.
Устройства, которые мы соберём, потребляют какое-то безумное количество мА\час.
Если речь идёт об электрической цепи, то наши ресурсы и то, как мы их быстро потратим, измеряются в А\ч (Ампер в час, mAh). Ёмкость типичной «Кроны» (по паспорту):
625 мА·ч ≈ 0,5 А·ч
Первое устройство, «Хамелеон», потребляет до 200 мА·ч. Поэтому нашей Кроны этой схеме хватит на:
625мАч/200мА = 3,125 часа.
а значит использовать её рекомендуется только для проверки работы схемы. Хорошим выходом будет аккумулятор на 12 вольт и ёмкостью не менее 0,5 А·ч.
мА·ч — это то, как быстро сядет батарейка! =)
Было бы круто иметь возможность припаять на платы один из таких разъёмов, и затем включить в него вот такой лабораторный блок питания. Но ни под один из доступных разъёмов на плате нет подходящих отверстий. Следовательно, подключить блок питания мы пока не можем.
Первый блин комом или сразу troubleshooting
Есть такой анекдот: купил человек самолёт и журнал с описанием «Как делать мёртвую петлю». Следуя инструкции, сел в самолёт, взлетел, начал делать мёртвую петлю — всё получается. Переворачивает страницу, а там: «… выход из мёртвой петли читайте в следующем номере».
Можно много говорить о культуре пайки и о том, что это целое искусство. Одно останется неизменным: если делаешь что-то в первый раз и по книжке, то сначала может не получится. Вот наша первая плата, набор «Хамелеон», вернее то, что из неё получилось. Какие ошибки были допущены?
1. Нарушена технология пайки, как результат — непропаянные контакты, которые лучше выпаять и впаять снова (не перепутав полярность!)
2. Нарушена технология работы: каждая деталь впаивалась по очереди. Ниже вы увидите, насколько выгоднее в этом плане послушать инструкцию и сначала собрать все детали, а потом закрепить их.
Результат: детали красиво стоят в кривь и в кось, а из трех цепочек диодов загорелась в итоге только одна.
Возможное решение: выпаять все детали и впаять заново.
Позитивный момент: можно найти всегда. В данном случае у нас нигде нет «паразитарных перемычек». Правда, удалять их достаточно просто в любом случае: просто провести жалом паяльника и разделить спаявшиеся вместе контакты.
Паять!
Итак, первая схема не получилась у нас из-за нарушения технологии пайки, поэтому сразу обговорим этот простой и на самом деле приятный момент.
В брошюре достаточно наглядно показано и рассказано, как паять, но, к сожалению, мне это не сильно помогло, т. к. там сказано «как надо», а хотелось бы понять саму технику.
Пожалуй, лучшая рекомендация, которую удалось найти, была в этом посте. Приведу её целиком:
Все дело в процессе. Делать надо так:
- Деталь вставляется в плату и должна быть закреплена (у вас не будет второй руки, чтобы держать).
- В одну руку берется паяльник, в другую — проволочка припоя (удобно, если он в специальном диспенсере, как на картинке).
- Припой на паяльник брать НЕ НАДО.
- Касаетесь кончиком паяльника места пайки и греете его. Обычно, это секунды 3-4. (на самом деле 1-2 с. — прим. А.Ч.)
- Затем, не убирая паяльника, второй рукой касаетесь кончиком проволочки припоя с флюсом места пайки. В реальности, в этом месте соприкасаются сразу все три части: элемент пайки и его отверстие на плате, паяльник и припой. Через секунду происходит «пшшшшш», кончик проволочки припоя плавится (и из него вытекает немного флюса) и необходимое его количество переходит на место пайки. После секунды можно убирать паяльник с припоем и подуть.
Дополнительно могу порекомендовать иллюстрированный комикс, переведённый хабрапользователем atarity.
Также, время от времени на жале паяльника образуется нагар и его нужно чистить. Для этого в индустрии используются специальные целлюлозные губки, обязательно смоченные водой. В нашем случае нагар можно снять просто стряхнув его механически — например, тупой стороной ножа.
Пошаговая инструкция
После того как первое устройство было нами несправедливо загублено, появилось понимание того, как выстроить процесс более эффективно. Надеюсь, эта пошаговая инструкция поможет вам так же быстро собрать свой собственный набор.
Итак, у нас есть горсть деталей и мы понятия не имеем что к чему. Берём симпатичный маникюрный пинцет (что было дома) и выбираем из этой груды все резисторы.
Вот так они выглядят. Если внимательно присмотреться, мы увидим что у нас 8 одинаковых, ещё 2 одинаковых и 1 «сам по себе». Присматриваться нужно к полосатой маркировке на корпусе. На плате место для резистора обозначается R (resistor). Первые 8 одинаковых становятся в ряд внизу, как это видно на плате, ещё 2 одинаковых слева вверху и один, который «сам по себе» — собственно, монтируется «сам по себе».
На этом этапе, не упустите возможность поиграть с мультиметром. В брошюре подробно описано, как измерить сопротивление резистора.
Хорошая новость: у резисторов нет полярности. Это значит, что нам не важно, какой стороной мы их посадим на плату. Поэтому, долго не думая, придаём нужную форму контактам, сажаем всех на плату, отрезаем кусачками лишнее. Чтобы было удобно паять, мы положили плату на край небольшой картонной коробки, т. к. если её положить на стол, это не дало бы возможности припаять резисторы немного над платой, как это рекомендуется сделать.
Вот что у нас получится. Всё ещё далеко от идеала, но уже гораздо лучше по сравнению с первым набором! Продолжаем.
Теперь отберём все конденсаторы. На плате места для них обозначаются C (capacitor). Конденсаторы бывают полярные, а бывают неполярные. Это значит, что некоторые конденсаторы, если их посадить на плату «не той стороной» работать не будут и вся цепть работать не будет. Подсказка: желтые конденсаторы неполярны, поэтому просто сажаем их в гнёзда C3 и C4.
Цилиндрические конденсаторы полярны. Как определить полярность? Два способа:
1. До обрезки ножек та, что длиннее — это плюс. Достаточно совместить его с маркировкой «+» в посадочном гнезде конденсатора C1 или C2
2. Синяя полоса на конденсаторе — это «ключ». Она там, где минус. Достаточно разместить её с обратной стороны от маркировки «плюс».
Подсказка: если думать лень, просто посадите полярные конденсаторы как на изображении.
И диоды! Диоды все полярны. Способы определить полярность:
1. Более длинная ножка — плюс.
2. Фаска (скос) на боку основания самого диода. Не очеь удобно, т. к. у прозрачных диодов её не видно почти совсем. Все фаски диодов на данной плате должны оказаться с одной стороны — наружной.
3. Поставьте мультиметр в режим прозвона (значок «wi-fi», а на самом деле — звукового сигнала, на мультиметре), черным проводом (минус) коснитесь короткой ножки, красным (плюс) — длинной. В нашем случае диод загорится. Если поменять полярность — не загорится. Это происходит потому, что диод пропускает ток только в одном направлении.
Если перепутать полярность хотя бы у одного диода, то вся цепочка гореть не будет. Но! Нас эти три способа определения полярности диода не подвели. Последний способ можно ещё раз использовать после монтажа для прозвона цепи и чтобы убедиться, что полярность диодов не нарушена.
У нас осталась только ещё несколько деталей. По часовой стрелке на фото:
Кнопка. Не полярна. Просто поставить и надавить слегка — она закрепится на плате.
Микросхемы: у них есть «ключи» сверху на корпусе. У той, что длиннее, это выемка, которую надо совместить с обозначением на плате. В нашем случае выемка будет смотреть направо, в сторону резисторов. У микросхемы поменьше ключ в виде углубления в левом верхнем углу. Там он и должен оказаться на схеме. Также, эта выемка схематично обозначена на плате, тоже сверху.
Обратите внимание на старые добрые «ламповые» (в смысле — уютные) DIP-микросхемы. Сейчас кроме наборов для творчества их уже мало где встретишь, хотя паять их для меня лично — одно удовольствие, равно как и собирать шестереночные механизмы. В промышленности же на смену традиционным методам, которыми пользовались ещё наши родители и бабушки и дедушки тех, кому предназначается этот набор, пришёл поверхностный монтаж.
Микросхема стабилизатора напряжения. С ней всё просто, перепутать ничего не получится.
Клеммный разъем. Сюда мы будем подключать блок питания. Поэтому важно: у клеммного разъема отверстия под провод должны смотреть наружу платы, иначе их закроет собой близко стоящий конденсатор, и заклепить в клемме провода станет затруднительно (собственно, у нас так и вышло). В случае неправильного размещения клеммного разъема выпаять его без вакуумного оловоотсоса, скорее всего, не получится (у нас не получилось).
Готово! Нам удалось допустить всего одну существенную ошибку при сборке — это расположение клеммного разъема. Но на полярность это не влияет, скорее на удобство эксплуатации.
У нас получилось мини-проверяющее устройство, которое всегда покажет, сколько ещё батарейки осталось. Сейчас мы его настроим на проверку батарейки Крона, которая у нас уже есть и в которой заряд — 9В, пока она не села.
Помните, мы рекомендовали вам не впаивать провода с клеммами для батарейки в первую схему? Если впаяли — выпаяйте, сейчас они нам понадобятся.
Подключаем новую, ещё не севшую батарейку. Соблюдаем полярность (плюсовой разъем клеммы обозначен на плате). Загорелся первый красный светодиод. Схема работает!
Коротко разово нажимаем кнопку. Прибор измеряет напряжение в 9В и запоминает его. Если бы у нас была рядом севшая Крона, можно было бы проверить разность заряда.
Подсказка: быстро разрядить Крону можно при помощи первой схемы если вы её, конечно, правильно собрали. Как мы уже говорили, потребляет она до 200 мА, поэтому разрядит батарейку примерно за три часа.
Собственно, с теми же функциями измерения вольтажа справляется и входящий в набор мультиметр, но делает он это, конечно, не настолько эффектно. При наличии лабораторного блока питания, можно перепрограммировать наше устройство каждый раз под новый вольтаж. То же самое можно сделать, подключая разные батарейки и снова нажимая кнопку «запомнить».
В заключение хочется сказать спасибо тем, кто придумал и создал этот набор. Два дня назад у меня не было ни малейшего понятия о процессе монтажа печатных плат. Сейчас я отличаю резистор от транзистора и могу посадить их на плату, используя ключи, мультиметр и прочие подсказки. Кроме того, одно из устройств мне удалось сразу собрать и запустить в работу! Как всегда, это очень приятно: видеть и держать в руках то, что удалось собрать самостоятельно.
Благодаря этому двухдневному погружению в электронику, мне стало понятно, что ещё я хочу узнать:
1. Как прозванивать смонтированную печатную плату, чтобы найти, где дефект и устранить его, а не перепаивать всю плату целиком (у меня всё ещё есть надежда пересобрать первое устройство!).
2. Как рассчитать энергопотребление схемы и самостоятельно рассчитать, на сколько хватит того или иного заряда аккумулятора?
3. Три показателя, которое мы измерили в процессе сборки при помощи мультиметра — количество вольт в батарейке, сопротивление в омах резисторе, измерение силы тока в амперах. Как они взаимосвязаны и что я могу с этим делать?
4. Как прочитать принципиальную схему устройства и увидеть её на плате? Как совместить п. 3 и п. 4?
Поэтому хочу обратиться к тебе, Хабр. Поделись, пожалуйста, ссылками на статьи и книги по этой теме, которые тебе понравились, которые легко читать, и быстро можно понять.
А также, подскажи, пожалуйста, что бы ты сделал с питанием устройств, клеммами и разъёмами, потому что пока что у меня есть только вариант «два торчащих провода и батарейка Крона».
Надеюсь, этот обзор тоже поможет кому-то «въехать» в нужную тему быстрее и легче. Удачи вам!
В этой статье описываются этапы монтажа печатной платы, используемые материалы и передовой опыт для успешного выполнения проекта.
Как правильно закрепить печатную плату на корпусе или поверхности? А также, какие инструменты и крепеж вам понадобятся? Эта статья — ваше полное руководство по монтажу печатной платы. В руководстве мы объясним процесс шаг за шагом, от начала до конца.
Что такое монтаж печатной платы?
Монтаж печатной платы означает крепление собранных печатных плат к корпусам, шасси или другим пространствам. Процесс подготавливает платы к интеграции в электронный продукт или система. Вы можете разместить вашу печатную плату в различных местах, таких как:
- Шкафы данных
- Бытовая электроника
- Офисная техника
- Промышленные системы
- Электрические шкафы
- Распределительные коробки
- Автомобильные системы
- Плоские поверхности, такие как стены
- Сборка коробок по индивидуальному заказу
- Тестирование и макетирования ограждения
Методы крепления различаются. Варианты варьируются от резьбовых деталей и защелок до прессовых и вставных посадок. Другие представляют собой простые в использовании крепления, такие как клеи, лотки и направляющие или слоты для карт.
Приложение определяет методы монтажа, правила, которые необходимо соблюдать, и другие требования. Во всех случаях установщик должен соблюдать надлежащие практики.
Почему важен правильный монтаж печатной платы?
Правильные шаги процесса монтажа гарантируют, что ваша плата будет работать превосходно и соответствовать вашим ожиданиям. Это поможет вам избежать различных проблем с установкой, включая следующие.
- Несоосность, вызванная неправильным позиционированием и креплением
- Ослабленные платы вибрируют и вызывают проблемы с паяными соединениями
- Проблемы электробезопасности, которые могут привести к поражению электрическим током и ударам током
- Электрический шум и другие проблемы с электромагнитными помехами
- Неэффективность охлаждения, которая может повлиять на производительность и долговечность платы
- Проблемы с доступом к плате для снятия, ремонта или обслуживания
- Неспособность соответствовать отраслевым и прикладным стандартам.
Ресурс: https://www.youtube.com/watch?v=zAblpFaKk8k
Монтажное оборудование для печатных плат
Монтажные элементы печатных плат включают временные и постоянные варианты. Они обычно пластиковые, металлические или керамика. Они включают в себя следующее, сгруппированное по конструкции и функциям.
Винты и монтажные блоки
Винты — это резьбовые компоненты, которые вставляются в отверстия. Они надежно фиксируют плату, что делает их самым популярным типом. Большинство винтов для монтажа печатных плат поставляются с шайбами, чтобы предотвратить повреждение при затягивании.
С другой стороны, блоки монтируют печатные платы и их разъемы, обеспечивая электрические и механические интерфейсы. Они могут быть из разных материалов, иметь разные размеры или формы, как и винты.
Стойки и распорки
Стойки и распорки поднимают печатную плату над поверхностью установки. Они обеспечивают зазор для электронных компонентов, теплоизоляцию и электрическая изоляция. Они также создают пространство для циркуляции воздуха, способствуя охлаждению.
Две части отличаются по конструкции. Стойки имеют резьбу с обеих сторон, а проставки не имеют резьбы, но имеют сквозные отверстия. Варианты материалов включают металл, пластик и керамику.
Зажимы, зажимы и кронштейны
Это временные крепления, и они более просты в использовании. Они также облегчают снятие платы для ремонта или модернизации, поскольку не используют резьбовые детали.
Они полезны в приложениях, предполагающих регулярную разборку и настройку, например, модульные электронные системы. Аппаратное обеспечение обычно металлическое или пластиковое и имеет различные размеры или формы.
Клеи и монтажная лента
Клеи и ленты крепят легкие платы к поверхностям. В отличие от других типов оборудования они экономят место. Они также просты в использовании и не требуют навыков или специальных инструментов для установки. В основном они монтируют гибкие печатные платы, которые могут не допускать механических креплений.
Ресурс: https://youtu.be/fpLKLEImAVU?si=-cdUVqdHhWJXBzJX
Как смонтировать печатную плату
Давайте теперь посмотрим, как смонтировать сборку печатной платы, начав со сбора необходимых материалов и инструментов. Материалы включают (но не ограничиваются) следующее:
Монтажное оборудование (Cруда Mматериалы):
- Печатные платы (готовые платы с предустановленными компонентами)
- Крепежные элементы, такие как стойки, винты или кронштейны
Вспомогательные инструменты:
- Отвертки
- шестигранные ключи
Инструменты для пайки：
- Провода для пайки или присоски
- паяльники и т.п.
Инструменты общего назначения:
- Инструменты для зачистки проводов, кусачки, антистатический браслет и т. д.
- Цифровой мультиметр
Шаг 1: Подготовка места для монтажа
- Определите место и место установки.
- Очистите его, чтобы удалить грязь и другие материалы.
Шаг 2: Выберите монтажное оборудование
- Определить требования: Оцените конструкцию и применение печатной платы с учетом вибрации, тепловое управлениеи будущие потребности в техническом обслуживании.
- Выбор материала: Например, используйте нейлон для электроизоляции и латунь для повышения долговечности.
- Подготовка оборудования: Соберите все необходимое оборудование и держите его в пределах легкой досягаемости.
Шаг 3: Модификация печатной платы (необязательный шаг)
- Выполните все необходимые изменения в плате.
- Они могут включать сверление отверстий или резку деталей.
Шаг 4: Соберите и закрепите печатную плату
- Установите стойки там, где вы будете размещать плату.
- Затяните их вручную или с помощью инструмента, например гаечного ключа.
- Установите печатную плату на стойки, совместив ее с монтажными отверстиями.
- Осторожно вставьте гайки или винты, затянув их вручную.
- Наконец, затяните их гаечным ключом.
- Избегайте чрезмерной или недостаточной затяжки винтов.
- Присоедините кабели, разъемы и другие аксессуары.
Шаг 5: Тестирование и устранение неполадок
- Подайте питание на плату и устройство или электрическую систему, чтобы убедиться, что они работают правильно.
- Использование мультиметра, выполнить различные испытания сборки
- Проверьте его на наличие обрывов, коротких замыканий и других дефектов.
- Измерьте уровни напряжения и тока.
- Убедитесь, что все электрические параметры соответствуют указанным для данного приложения.
Основные соображения при монтаже печатных плат
Монтаж печатной платы имеет определенные потребности. Они различаются в зависимости от типа печатной платы и условий использования. Имея это в виду, при монтаже следует учитывать следующее:
Механическая стабильность
Убедитесь, что установка механически надежна, чтобы выдерживать условия применения. Например, автомобильная плата должна выдерживать вибрации. Эта необходимость требует от вас правильного выбора и размера вашего установочного оборудования.
Правильное выравнивание
Неправильное выравнивание — одна из самых распространенных проблем. Чтобы этого избежать, точно расположите монтажные отверстия и пазы. Правильно их фрезеруйте или сверлите, используя точное оборудование и инструменты. Сделайте точные измерения и используйте соответствующее оборудование.
Термическое управление
Ваша установка может перегреться, если не будет достаточного охлаждения. В приложениях с высокой мощностью необходимы тепловые стратегии, такие как радиаторы и вентиляторы. В качестве альтернативы используйте методы рассеивания на плате, такие как термопаста или смазка.
Электрическая изоляция и заземление
Электрическая изоляция и заземление делают установку безопасной в использовании. Она также предотвращает электрические помехи, улучшая качество сигнала. Определите стратегии для использования заранее. Это гарантирует, что ваша установка будет работать так, как задумано.
Ресурс: https://www.youtube.com/watch?v=zAblpFaKk8k
Лучшие практики монтажа печатных плат
Процесс имеет несколько правил, которые необходимо соблюдать при установке платы. Следующие советы суммируют их. Они должны помочь вам обеспечить производительность и надежность продукта или системы.
1. Всегда оценивайте среду применения и используйте компоненты, которые могут выдерживать тепло, влажность, вибрацию и т. д.
2. Используйте правильный крутящий момент при затягивании таких компонентов, как винты. Недостаточное затягивание может привести к перемещению платы, а чрезмерное затягивание может привести к повреждению.
3. Используйте клей для доски, в которой нельзя просверлить отверстия, или если вы собираетесь установить ее на плоскую поверхность. Они просты в использовании и менее интрузивны, чем другие типы оборудования.
4. Некоторые схемы имеют строгие требования к защите сигнала, требующие экранирования. Защитите свои с помощью соответствующих методов, таких как кабели в оболочке или банки EMI.
5. Чрезмерные вибрации могут повредить вашу плату, сломав паяные соединения. В таких случаях могут помочь стратегии смягчения, такие как резиновые опоры и прокладки.
6. Установите высоко-предел прочности при изгибе материалы, такие как FR4 с защелкивающимися креплениями и хрупкие бумажные платы с проталкиваемыми распорками.
Заключение
Печатные платы должны надежно работать в своих конечных продуктах. Поэтому их правильная установка имеет важное значение для предотвращения проблем с производительностью. Правильно установленная плата также служит дольше, поскольку у нее меньше шансов повредиться. Это, в свою очередь, зависит от того, насколько хорошо вы понимаете этапы монтажа.
Последнее обновление: 7 февраля 2025 г.
Оглавление
Монтаж печатной платы является важной частью создания электронных устройств. Он предполагает прикрепление электронные компоненты на печатную плату (PCB). Если вы все сделаете правильно, ваше устройство будет работать хорошо и прослужит долго. Давайте исследуем мир монтажа печатных плат.
Что такое монтаж печатной платы?
Определение и важность
Монтаж на печатной плате позволяет прикрепить электронные компоненты к печатной плате (PCB). Это жизненно важный шаг в обеспечении работы электронных устройств.
При правильном монтаже устройства могут работать правильно. Итак, очень важно понять этот процесс.
Роль в сборке электроники
Монтаж печатной платы играет важную роль при сборке электроники. Он соединяет разные электронные компоненты, что позволяет им общаться и работать вместе.
Этот шаг гарантирует плавный поток электрических сигналов. Правильный монтаж помогает предотвратить проблемы и делает устройства надежными.
Короче говоря, правильный монтаж печатной платы имеет решающее значение для хорошей работы любого электронного устройства.
Узнать больше о Что такое сборка печатной платы?.
Типы методов монтажа печатных плат
Технология поверхностного монтажа (SMT)
СМТ это быстрый и эффективный метод, при котором компоненты размещаются непосредственно на поверхности печатной платы.
Это позволяет создавать более компактные конструкции, делая устройства меньше и легче. SMT отлично подходит для крупносерийного производства. Он также обеспечивает лучшие электрические характеристики благодаря более коротким проводам.
Однако SMT имеет некоторые недостатки. Эти крошечные компоненты сложнее паять вручную, этот процесс требует точного оборудования и может быть дорогостоящим. Платы SMT также более подвержены тепловым нагрузкам и механическим ударам.
Технология сквозного отверстия (THT)
ТТТ включает вставку выводов компонентов через отверстия в печатной плате и их пайку с другой стороны.
Этот метод создает механические прочные связи. С THT легче работать при продаже вручную, и он идеально подходит для компонентов, требующих дополнительной поддержки.
Но у THT есть свои недостатки. Он занимает больше места на доске, что приводит к созданию более крупных конструкций. Этот процесс медленнее по сравнению с SMT. THT менее подходит для печатных плат высокой плотности.
Смешанная технология
В смешанной технологии используются методы SMT и THT. Этот подход сочетает в себе сильные стороны обоих методов: компактный размер SMT и прочные связи THT. Это обеспечивает гибкость в проектировании и производстве.
Смешанная технология полезна, когда некоторым компонентам требуется долговечность THT, а другим выгоден компактный размер SMT. Такое сочетание обеспечивает оптимальную производительность и надежность.
Факторы, которые следует учитывать перед установкой печатной платы
Размер и форма платы
Влияние на процесс монтажа
Размер и форма вашей печатной платы имеют большое значение. Большие доски или доски необычной формы требуют особого обращения. Если их не поддерживать должным образом, они могут согнуться или деформироваться, что может испортить процесс монтажа.
Обращение с большими и нестандартными досками
Для досок нестандартных или больших размеров используйте опорные конструкции. Это могут быть блоки или приспособления, чтобы удерживать доску в устойчивом положении. Для нестандартных форм могут потребоваться специальные приспособления. Планируйте, чтобы все хорошо подходило.
Плотность компонентов
Высокая и низкая плотность
Плотность компонентов означает, насколько упакована ваша печатная плата. Платы с высокой плотностью размещения содержат больше деталей на небольшой площади, что требует точного размещения во избежание коротких замыканий. С платами низкой плотности легче работать, но они, возможно, должны быть более эффективными.
Выбор правильной техники монтажа
В зависимости от плотности выберите подходящую технику. Используйте SMT для плат высокой плотности, поскольку это позволяет создавать компактные конструкции. Для плат с низкой плотностью THT может быть проще и экономичнее. Смешанная технология также может быть хорошим выбором.
Управление температурным режимом
Важность рассеивания тепла
Отвод тепла имеет решающее значение. Избыточное тепло может повредить компоненты и повлиять на производительность. Хороший управление температурным режимом обеспечивает бесперебойную работу вашей печатной платы.
Методы эффективного управления температурным режимом
Существует несколько способов управления теплом. Разместите тепловыделяющие компоненты отдельно. Используйте радиаторы для отвода тепла от чувствительных частей. Обеспечьте хороший поток воздуха вокруг печатной платы. Эти шаги помогают поддерживать оптимальную температуру и производительность.
Понимание монтажных отверстий
Типы монтажных отверстий: с покрытием и без покрытия
Монтажные отверстия имеют решающее значение для крепления вашей печатной платы. Они бывают двух типов: с покрытием и без покрытия.
Когда использовать каждый тип
- Металлизированные отверстия используются, когда между слоями необходимы электрические соединения. Они обеспечивают путь для тока. Используйте их, когда вам необходимо надежное электрическое соединение.
- Непокрытые отверстия предназначены только для механических целей. Они не проводят электричество. Используйте их, когда вам нужно только физически закрепить плату.
Преимущества и недостатки
- Покрытые металлом отверстия отлично подходят для стабильности и возможности подключения. Они помогают в заземлении и могут поддерживать тяжелые компоненты. Но они более сложны и дорогостоящи.
- Отверстия без покрытия проще и дешевле. Однако им не хватает электрических преимуществ гальванических отверстий.
Важность переходных отверстий в монтажных отверстиях
Переходные отверстия — это небольшие отверстия, проходящие через печатную плату. Они играют жизненно важную роль в монтажных отверстиях.
Роль в распределении механического напряжения
Переходные отверстия помогают распределить механическое напряжение, предотвращая повреждение платы из-за вибрации или движения. Они также делают печатную плату более прочной и надежной.
Заземление и рассеивание тепла
Переходные отверстия также помогают в заземлении. Они создают связи между различными слоями, снижая электрический шум.
Vias также может помочь в рассеивании тепла. Они позволяют теплу отводиться от горячих точек, сохраняя печатную плату прохладной.
Это помогает поддерживать производительность и продлевает срок службы вашей платы.
Паяльное оборудование
Виды и критерии выбора
Для монтажа платы понадобится хороший паяльник или станция. Выберите один с регулируемой температурой, который помогает работать с различными типами припоя и компонентов.
Паяльники бывают с наконечниками разных размеров. Выберите правильный наконечник для вашей задачи. Наконечники меньшего размера хороши для тонкой работы, а более широкие — для более крупных деталей.
Советы по обслуживанию
Держите паяльник в чистоте. Регулярно используйте очиститель наконечников. Это удаляет окисление и повышает производительность.
Замените наконечник, если он изношен. Всегда выключайте паяльник, когда он не используется, так как это продлевает его срок службы.
Инструменты для проверки и тестирования
Ключевые инструменты и их функции
Проверка и тестирование имеют жизненно важное значение. Используйте увеличительное стекло или микроскоп. Они помогают рассмотреть мелкие детали и проверить паяные соединения.
Мультиметр необходим для проверки электрических соединений. Он измеряет напряжение, ток и сопротивление.
Тестеры непрерывности проверяют целостность цепи. Внутрисхемные тестеры (ICT) и автоматизированное испытательное оборудование (АТЭ) отлично подходят для более продвинутого тестирования.
Важность калибровки и обслуживания
Калибровка обеспечивает точность ваших инструментов. Регулярно калибруйте мультиметр и другие испытательные устройства, чтобы предотвратить ошибки измерений.
Техническое обслуживание является ключевым моментом. Очистите инструменты и проверьте их на наличие повреждений. Замените изношенные детали. Правильный уход обеспечит надежность вашего оборудования и продлит срок его службы.
Наличие подходящих инструментов и поддержание их в хорошем состоянии делает монтаж печатной платы более доступным и практичным.
Лучшие практики монтажа печатной платы
Правильное размещение компонентов
Советы по точному размещению
Разместите компоненты внимательно на печатной плате. Дважды проверьте их ориентацию и полярность. Для точного размещения используйте машину для захвата и размещения. Убедитесь, что между деталями достаточно места, чтобы избежать короткого замыкания.
Как избежать распространенных ошибок
Избегайте спешки. Не торопитесь, чтобы правильно разместить компоненты. Перед началом работы проверьте конструкцию и расположение печатной платы. Убедитесь, что компоненты не расположены слишком близко к краям. Это предотвращает повреждения во время транспортировки. Узнать больше о Как спроектировать разводку печатной платы?.
Эффективные методы пайки
Предварительный нагрев и нанесение флюса
Предварительно нагрейте компоненты, чтобы уменьшить термическую нагрузку. Это делает пайку более доступной и безопасной. Нанесите флюс для очистки и подготовки поверхностей. Флюс помогает припою лучше растекаться и создает прочные соединения.
Выбор правильного типа припоя
Выберите правильный припой для вашего проекта. Стандартным является бессвинцовый припой, но с припоем, содержащим свинец, работать легче.
Проверьте температурный диапазон ваших компонентов. Используйте припой с температурой плавления, которая соответствует вашим потребностям.
Узнать больше о Свинцовый или бессвинцовый припой: что лучше?
Тщательная проверка и тестирование
Методы визуального и функционального тестирования
Осмотрите печатную плату визуально. Используйте увеличительное стекло для проверки паяных соединений. Ищите соединения холодной пайки, перемычки или недостающие компоненты.
Выполните функциональные тесты, чтобы убедиться, что печатная плата работает должным образом. Используйте мультиметр для проверки соединений и измерений.
Обеспечение надежности и производительности
Проверьте печатную плату в разных условиях. Проверьте стабильность и производительность. Убедитесь, что компоненты надежно закреплены, а соединения надежны. Регулярные проверки и испытания предотвращают будущие сбои и обеспечивают надежность. Узнайте больше о Комплексное руководство по тестированию печатных плат.
Следуя этим рекомендациям, вы сможете создавать высококачественные и надежные печатные платы. Уделение времени аккуратному размещению компонентов, правильной пайке и тщательному осмотру гарантирует, что ваше устройство будет работать хорошо и прослужит долго.
Заключение
Краткое изложение ключевых моментов
Монтаж печатной платы имеет важное значение в электронике. Правильный монтаж обеспечивает надежную работу устройств. Мы обсудили различные методы, такие как SMT и THT.
Мы также рассмотрели смешанную технологию. Выбор правильного метода зависит от потребностей вашего проекта. Размер платы, плотность компонентов и управление температурным режимом являются решающими факторами.
Такие инструменты, как паяльники и мультиметры, имеют жизненно важное значение. Правильное размещение и эффективная пайка имеют решающее значение, а проверка и тестирование предотвращают проблемы.
Важность следования передовому опыту при монтаже печатных плат
Следование лучшим практикам имеет важное значение. Это обеспечивает надежность печатной платы. Правильный монтаж продлит срок службы вашего устройства. Правильные методы экономят время и деньги.
Точное размещение и хорошая пайка имеют большое значение. Регулярная проверка выявляет проблемы на ранней стадии, а тщательное тестирование гарантирует, что все работает.
Следуя этим рекомендациям, вы обеспечите качественный монтаж печатной платы, что повысит производительность и долговечность ваших устройств. Передовая практика приводит к успешным проектам. Всегда не торопитесь и обращайте внимание на детали.
- Что такое печатная плата межсоединений высокой плотности (HDI)?
- Комплексное руководство по проектированию печатных плат и основам
- Как идентифицировать компоненты на печатных платах
- Преимущества и применение крупносерийного производства печатных плат
- Освоение пайки печатных плат: основные методы и советы для производства электроники
Рекомендуем посмотреть серию фильмов «Технология автоматического монтажа печатных плат», в которой подробно показан весь производственный процесс автоматического монтажа в Технопарке Резонит.
Типовой процесс автоматического поверхностного монтажа печатных плат (ПП) состоит из следующих этапов:
- Нанесение паяльной пасты (дозирование, струйная или трафаретная печать);
- Контроль качества нанесения паяльной пасты (SPI);
- Установка компонентов на плату;
- Групповая пайка (в конвекционной, инфракрасной или парофазной печи);
- Оптический контроль качества монтажа (AOI).
Рассмотрим более подробно этапы автоматического монтажа поверхностно-монтируемых элементов.
Для пайки элементов и удержания их на поверхности платы до момента образования паяного соединения используется паяльная паста, которая представляет собой порошкообразный припой с добавлением флюса, различных активаторов и присадок. Паста имеет гелеобразную консистенцию и должна обеспечивать очистку контактных площадок ПП и компонентов от оксидной пленки, и других примесей, мешающих образованию паяного соединения, а также удержание компонента на поверхности платы до момента пайки, т. е. обладать клеящими свойствами.
Паста наносится на контактные площадки печатной платы через трафарет, отверстия в котором — апертуры — повторяют рисунок, расположение и форму контактных площадок на плате. Нанесение пасты происходит на автоматических принтерах трафаретной печати. Эти устройства оснащены системой технического зрения (Machine Vision), обеспечивающей точное совмещение трафарета с платой. Паста продавливается специальным ракелем через отверстия в трафарете и переносится на контактные площадки платы. Специальные устройства принтера контролируют различные параметры процесса, такие как скорость перемещения ракеля, давление, отрыв трафарета от платы, контроль состояния и очистка трафарета и т. д.
Качество нанесения паяльной пасты контролирует специализированная установка 3D оптической инспекции (Solder Paste Inspection), определяющая точность нанесения пасты на контактные площадки, объем, а также возможные дефекты.
Следующий этап — установка компонентов на плату. Сегодня существует множество автоматов, выполняющих данную операцию. Они отличаются по устройству, конструкции, производительности, возможностям и назначению. Зачастую в одной линии можно встретить два и более автомата установки компонентов, выполняющих определенные задачи. Например, скоростная установка простых чип-компонентов и установка компонентов, требующих высокой точности, компонентов больших размеров или сложной формы и т. д. Но, независимо от устройства станка, основная последовательность действий выглядит следующим образом: захват компонента из носителя (чаще всего ленты), его центрирование с помощью видеосистемы или лазера, установка компонента на плату. Перед началом монтажа техническое зрение установщика определяет координаты реперных меток на плате и вносит поправки на неточность позиционирования платы в рабочей области станка.
Пайка собранных ПП в современных автоматических линиях осуществляется групповым методом в конвейерных печах. Наиболее высокое качество пайки и производительность обеспечивают конвекционные печи. В этих устройствах собранная плата перемещается по конвейеру между несколькими зонами с разной температурой, горячий воздух в которые передается от нагревателей с помощью вентиляторов. Это обеспечивает равномерный прогрев всего изделия, плавный управляемый рост температуры до нужного пикового значения, и дальнейшее постепенное охлаждение спаянной платы, предотвращающее температурный стресс. Специальные модули печи контролируют распределение потоков воздуха внутри рабочей зоны и удаление из него продуктов, выделяющихся при нагреве флюса и активаторов паяльной пасты.
Спаянные модули проходят контроль с помощью установки автоматической оптической инспекции, которая позволяет распознать такие дефекты, как отсутствие, смещение компонентов, образование перемычек припоя (КЗ) между выводами микросхем, непропай, эффект холодной пайки и др. Проверка происходит в автоматическом режиме, платы, на которых были выявлены дефекты сортируются в отдельный магазин автоматического разгрузчика и передаются на участок ремонта (если это предусмотрено технологией).
Платы с установленными компонентами со скрытыми выводами, такие как BGA, CSP, QFN и др., качество пайки которых невозможно определить с помощью оптических систем, проходят дополнительную проверку на установке рентгеноскопического контроля.
Процесс сборки печатной платы
Сборка печатной платы — это процесс установки на плату всех необходимых для её проектного функционирования компонентов. Сборка включает в себя проверку DFA, монтаж компонентов по технологии SMT, монтаж в отверстия, возможно — ручной монтаж элементов крепежа, применение покрытий, тестирование и финишный контроль.
На предыдущем этапе была изготовлена сама печатная плата. Плата без компонентов сделана из нескольких слоёв стекловолокна, медных линий и препрега, склеенных эпоксидной смолой и изолированных паяльной маской. Паяльная маска сделала нашу плату весёлого зелёного (красного, синего, чёрного…) цвета. После изготовления и контроля плата поступает или на хранение, или сразу на монтаж. В процессе монтажа на плату (PCB — Printed Circuit Board) мы установим электронные компоненты, и плата превратится в печатный узел, или сборку (PCBA — Printed Circuit Board Assembly), которую уже можно использовать в конечном электронном устройстве. Устанавливаются компоненты на плату преимущественно с помощью пайки.
Таким образом, сборка печатной платы — это и производственный процесс соединения электронных компонентов с печатной платой с помощью пайки, и сама смонтированная плата (сборка). Сложности заимствованной терминологии.
В целом, процесс сборки выглядит более просто, чем изготовление платы, если не погружаться в детали дальше, чем монтаж SMT и монтаж в металлизированные отверстия (PTH), однако мелких шагов и нюансов также достаточно много.
Перед началом сборки необходимо составить точную спецификацию материалов (BOM — Bill Of Materials), а также монтажный лист, в котором будут учтены все важные для монтажа данные: условные обозначения, ориентация компонентов, перечислены ЭК, которые допускают и не допускают прохождение через отмывку и т.д.
В нескольких словах, процесс сборки можно описать как последовательное выполнение следующих процедур: подбор и входной контроль комплектующих изделий, нанесение паяльной пасты (при необходимости), установка компонентов, пайка оплавлением/пайка в расплаве припоя (ручная или автоматизированная), контроль результата и тестирование готового печатного узла. Так же могут быть использованы дополнительные процедуры, например нанесение влагозащитных покрытий.
В процессе монтажа плата проходит несколько этапов контроля, так как миниатюрность и большое количество соединений и элементов статистически способствуют возникновению ошибок. Часто до запуска в серию выполняют прототипирование — сборку одной или нескольких тестовых плат, чтобы убедиться, что дизайн и проектирование выполнены без ошибок и печатный узел работает должным образом.
DFA: проверка Gerber/ODB++ и BOM
Проверка проектирования для сборки и подготовка производственных файлов — первый и самый важный этап монтажа печатного узла. В целом, проектирование для производства — это поиск возможных ошибок в проекте, а также выявление элементов и решений, которые невозможно реализовать на практике. Найденные ошибки и проблемы обычно устраняются в коллаборации с заказчиком. Например, размеры компонентов могут быть больше, чем контактные площадки или расстояние между ними на реальной плате, количество деталей в спецификации материалов (BOM листе) не сходится с фактическим количеством элементов на печатной плате, описание в монтажном листе не совпадает с партномером компонента и т.д. Также могут быть найдены ошибочные компоненты или компоненты, которые устарели, больше не выпускаются, но могут быть заменены на аналоги и так далее.
Большая часть недочётов обнаруживается во время проверки файлов Gerber/ODB++ и спецификаций инженером CAM, а часть — только при выполнении входного контроля компонентов.
Кроме того, на этапе DFA даже при отсутствии явных ошибок могут быть предложены некоторые модификации проекта, которые улучшат технические или экономические показатели смонтированной платы (к примеру — в виде замены компонентов на более совершенные). В любом случае, проверка DFA и создание прототипов крайне важны и позволяют избежать существенных потерь.
Как проектировщик, вы должны изначально разрабатывать плату с учётом правил DFA, чтобы избежать отклонения проекта на производстве. Следование правилам проектирования позволит вам не допустить ошибки.
Необходимо убедиться, что:
- Компоненты реализованы правильно. Инженеры DFA проверяют, чтобы все компоненты были правильно реализованы в соответствии со спецификацией BOM.
- Размеры посадочных мест выбраны верно. Размеры посадочных мест компонентов точно соответствуют требуемым значениям для обеспечения правильного размещения компонентов на плате.
- Расстояние между компонентами достаточное. Расстояния между компонентами являются достаточными для обеспечения удобной и безопасной сборки и отсутствия коротких замыканий, соблюдены расстояния от компонентов до отверстий и гарантийных поясков.
- Соблюдены спецификации файлов сверления. Файлы сверловки соответствуют требуемым стандартам и сверление при производстве платы было выполнено правильно, формирование отверстий на плате — точное.
- Внедрены адекватные методы термической разгрузки платы. Инженер DFA должен удостовериться, что платы были рассчитаны на нагрев верно и не содержат потенциальных зон перегрева. Это поможет предотвратить повреждение компонентов и повысит надежность сборки.
- Соблюдены правила зазора по краям платы. Зазор между краями платы и элементами схемы соответствует требуемым стандартам, что обеспечивает правильную сборку и эксплуатацию платы.
Подготовка производственных файлов
Обобщённо, для работы потребуются файлы Gerber и спецификация BOM. Gerber — в первую очередь. В файлах есть шаблоны каждого из медных слоёв печатной платы, слоя паяльной маски, слоя разметки компонентов. На основе гербера будет изготовлен трафарет SMT. Как говорилось выше, также Gerber используется инженером CAM при проверке DFA.
Файлы BOM и Pick-and-Place со списком координат X/Y — на втором месте по важности. В спецификации BOM указываются все параметры компонентов, включая наименование производителя, партномер, подробные параметры детали, количество, которое будет использовано на единичной плате, список замен, описание деталей формирования выводов PTH и прочие. Файл Pick-and-Place содержит координаты для каждого компонента, привязанные к виртуальной координатной плоскости платы. Автоматический установщик, используя этот файл, сможет определить, где должен быть размещён компонент в процессе сборки.
Иногда в процессе сборки могут потребоваться сборочные чертежи или 3D макеты платы, которые часто помогают при решении проблем, возникающих в ходе работ.
Также в технологическую карту будут включены требования IQС (контроля качества входных материалов), специальные процессы, такие как конформное покрытие, дозирование защитного материала, тестирование, программирование ИС, сборка в корпус и т.д.
Проверка DFA пройдена, файлы подготовлены, можно переходить к монтажу SMT. Но сначала давайте разберёмся, что нам для этого потребуется.
Материал для сборки и комплектация
В соответствии с BOM-листом выполнятеся поставка всех необходимых компонентов с запасом на технологические потери. Также закупаются материалы для производства, такие как расходники для линии SMT, расходные материалы для проведения испытаний, материалы для защитных покрытий и так далее, вплоть до организации логистики готовой платы — потребуются специальные, иногда сложные и дорогие, упаковочные материалы.
Процесс поверхностного монтажа с использованием монтажного автомата
Монтаж SMD-компонентов сегодня производится преимущественно путём установки на плату электронных компонентов и их пайку с помощью монтажно-установочных машин (автоматических установщиков).
Перед началом монтажа необходимо проверить ограничения по технологии для SMT компонентов. Часто приходится корректировать технологию из-за ограничений по допустимости отмывки или ограничений пиковой температуры. Такие компоненты могут быть убраны из монтажного листа, с целью установки на более позднем этапе. Либо технология монтажа остальных компонентов будет скорректирована с соблюдением этих ограничений.
Нанесение на плату паяльной пасты
Перед началом процесса сборки необходимо изготовить трафарет для SMT. Трафареты изготавливают методом травления или лазерной резки и после полируют. Вырезанные лазером трафареты имеют обычно более высокое качество, а после полировки дают наилучший результат нанесения пасты. Трафареты вырезают из тонкого материала, обычно — нержавеющего стального листа, толщиной порядка 100-200 микрон. В зависимости от требований топологии, применяемых компонентов и проекта платы, трафарет может быть тоньше или толще. От толщины трафарета будет зависеть итоговая толщина слоя пасты на контактных площадках.
Часто SMT-трафарет изготавливается одновременно с печатной платой и передаётся в цех монтажа в готовом виде. Однако необходимо помнить, что при запуске технологического процесса изготовления платы не всегда учитываются особенности монтажа. Принимая в расчёт такой фактор как растекание припоя, отверстия трафарета обычно делают чуть меньше, чем размер контактных площадок, которые они открывают. Это необходимо для того, чтобы уменьшить риск образования перемычек. Грамотный инженер может подобрать наиболее подходящие для данной конкретной сборки отступы и зазоры с целью получения максимально достижимого качества пайки. Нередко трафареты изготавливаются по месту сборки или отдаются на аутсорсинг после расчёта.
Готовый шаблон с отверстиями, которые напоминают контактные площадки, помещается на плату и фиксируется при помощи механического приспособления. На трафарет тонким слоем наносится паяльная паста, заполняя отверстия.
Паяльная паста — пластичное вещество серого цвета, состоящее из припоя в виде крошечных шариков, смешанных с флюсом. В соответствии с директивой RoHS, обычно используется бессвинцовый припой, в состав которого входят 96,5% олова (Sn), 3% серебра (Ag) и 0,5% меди (Cu). Размер шариков припоя для пайки SMD-компонентов (в том числе и BGA) обычно варьируется в пределах 20-38 микрометров. Температура плавления Sn96Ag3Cu.5 составляет 217°С, он считается легкоплавким припоем. Флюс в составе пасты облегчает плавление и сцепление с поверхностями деталей и контактных площадок.
Механические захваты линии удерживают печатную плату и шаблон, после чего аппликатор помещает отмеренное количество пасты в нужное место поверх трафарета. Машина равномерно распределяет пасту по трафарету, а затем ракелем срезает излишки пасты, оставляя на месте только состав в прорезях шаблона. Когда трафарет поднимают, паяльная паста остаётся на контактных площадках.
Контроль нанесения паяльной пасты
После удаления шаблона необходимо убедиться, что паяльная паста была правильно нанесена на все контактные площадки для компонентов. Для этого используется автоматическая система контроля качества нанесения паяльной пасты (SPI), проводящая измерения высоты и ширины наложенной паяльной пасты. Существуют 2D и 3D установки SPI, они могут измерять высоту и ширину отпечатка паяльной пасты, а также рассчитывать длину, ширину и объем нанесенной паяльной пасты.
На этапе проверки можно выявить и устранить такие дефекты как полное или частичное отсутствие пасты и перемычки припоя.
Дополнительные работы
Чаще всего платы на монтаж поступают в составе групповых панелей, в том виде, в котором они находятся после мехобработки и профилирования. Но иногда в сборку отдают единичные платы, с удалёнными технологическими полями. В таких случаях расстояние от кромки платы до компонентов может составлять 3 мм и менее, что превышает допуски производственных линий по нанесению пасты и размещению компонентов. В этой ситуации необходимо изготовить оснастку, которая расширит монтажную поверхность и зафиксирует плату с бо́льшими отступами при помощи штифтов.
При сборке гибких и гибко-жёстких плат специальная оснастка требуется всегда, в противном случае установщик не сможет выполнить свою задачу.
Установка SMD компонентов
После проверки паяльной пасты мы размещаем компоненты на плату. Раньше это делалось руками: сборщики вручную выбирали и при помощи пинцета расставляли детали на плате, что делало процесс крайне медленным и трудоёмким. Сейчас эта процедура роботизирована и при помощи автоматизированного установщика выполняется быстро и точно.
Автоматические установщики используются для монтажа SMD компонентов, таких как BGA, ИС, резисторы и конденсаторы. При помощи вакуумного подъёмника устройство захватывает плату и помещает её в станцию размещения компонентов, после чего компоненты на лентах подаются в станцию. Установщик берёт компонент с ленты, поворачивает его в нужную ориентацию и размещает на плате. Деталь в требуемом положении удерживается паяльной пастой на площадке. Система позволяет монтировать компоненты любого размера, от 008004 до BGA на несколько тысяч точек пайки с высокой точностью и скоростью вплоть до 80 000 компонентов в час. Кроме того, ПО установщика умеет подсказывать, в каком порядке лучше размещать катушки с лентами для ускорения расстановки. Оператор линии монтажа загружает фидер в установщик, а также меняет катушки по мере расходования компонентов.
Первая сборка
После окончания установки ЭК на первую из партии плату желательно проверить правильность и качество расстановки и только потом отправлять на монтаж всю серию. В дальнейшем первая сборка, проверенная с особым вниманием, будет выступать как эталонная сборка (эталонный монтаж).
Пайка оплавлением
Для окончательного закрепления детали на плате и создания электрического контакта, припой в паяльной пасте необходимо оплавить и через заданное время охладить. Пайка оплавлением применяется только для поверхностного монтажа и не подходит для сквозного.
После размещения компонентов линия монтажа помещает плату на конвейерную ленту и проводит через печь оплавления, которая содержит несколько последовательных нагревателей, разогревающих плату примерно до 250°С. Температурный профиль пайки оплавлением припоя зависит от ряда факторов, в числе которых — тип используемой паяльной пасты.
Смена припоев на бессвинцовые сделала пайку оплавлением более сложным и энергоёмким процессом, так как старые свинцовые припои требуют нагрева до 180-220°С в зависимости от марки, а бессвинцовые — 210-250°С. Впрочем, в некоторых случаях свинцовые пасты используются и сегодня, к примеру для пайки чувствительных к перегреву элементов.
Плата проходит зону предварительного нагрева, зону выдержки и попадает в зону оплавления.
На этом этапе паяльная паста расплавляется. Плата двигается по конвейеру дальше, проходя через ряд охладителей в зоне охлаждения для контролируемого снижения температуры, при охлаждении припой отвердевает и устанавливает прочное паяное соединение между компонентами и их контактными площадками.
Многие печатные платы требуют проведения дополнительных операций при пайке, например — двусторонние сборки. Двухсторонние печатные платы паяют, используя два шаблона, пайка каждой стороны проходит отдельно. В первую очередь наносят пасту, расставляют компоненты и оплавляют на стороне с ме́ньшим количеством деталей, во вторую — с бо́льшим. При этом контроль нагрева и охлаждения выходит на первый план, так как возникает риск отпаивания припаянных на первом этапе компонентов.
Теперь наши компоненты закреплены на плате.
Промежуточный контроль монтажа SMT (AOI/X-Ray/FPT)
После завершения SMT-монтажа наступает время контроля качества полученного электронного блока.
Собранная плата должна пройти ряд функциональных испытаний и проверок. Методы тестирования печатных узлов для контроля качества включают:
- Ручную проверку. Это визуальный контроль качества, позволяющий обраружить явные дефекты пайки.
- Автоматическую оптическую инспекцию. Метод контроля, который чаще используется для серийных печатных плат. Автоматические оптические детекторы, или системы AOI, используют камеры высокого разрешения, которые стоят под разными углами и позволяют просматривать паяные соединения и установленные компоненты.
- Рентген-контроль. Проверка более сложных печатных плат путем последовательного просвечивания соединений и слоев печатной платы.
Автоматический оптический контроль AOI
Автоматический оптический контроль призван заменить основную массу работы человека по визуальному контролю. Преимуществами AOI явлются высокая скорость выполнения инспекции, отсуствие человеческого фактора (оператор при визуальном осмотре платы может соврешить больше ошибок), возможность выявить такие дефекты, которые человек физически не способен обнаружить.
Тем не менее, опытный оператор системы контроля всё равно необходим, так как некоторые ошибки неочевидны для автоматики, а некоторые несовершенства монтажа, напротив, могут быть приемлемыми в соответствии с применяемыми стандартами монтажа (например IPС или ГОСТ) или требованиями заказчика.
Установки AOI принципиально делят на два типа — полностью автоматического контроля и полуавтоматы. Полностью автоматическая система руководствуется заложенными установками и самостоятельно делит выборку плат на «прошедшие»/«не прошедшие». Загрузка плат происходит также автоматически, при помощи толкателей или конвейера. Полуавтоматическая установка работает более просто. Оператор загружает платы одну за другой в тестовую зону и самостоятельно отмечает «пройдено»/«не пройдено», сверяясь с чек-листом исследования, который выдаёт система.
В любом случае, для полноценной работы AOI необходима эталонная первая сборка. И автоматическая, и полуавтоматическая установки работают по одному принципу: сравнивают снятые с тестируемой платы данные с первой сборкой и на основе превышения порога расхождений выставляют оценку теста как «не пройденный». Также некоторые системы AOI умеют распознавать текст маркировки компонентов и сравнивать его со спецификацией BOM и слоем компонентов в технологический карте.
Определяемые AOI дефекты:
- отсутствующие компоненты;
- неправильные компоненты;
- проблемы с пайкой;
- несоосность компонентов;
- неправильная ориентация компонентов;
- поднятые («надгробный камень») и неправильно расположенные компоненты;
- обрывы цепи;
- короткие замыкания припоя;
- недостаточное или избыточное количество припоя.
Рентген-контроль X-Ray
Большинство компонентов в процессе SMT можно проверить с помощью AOI или вручную, но для BGA ситуация отличается. Огромное количество точек пайки скрыты корпусом элемента после окончания оплавления. Снаружи невозможно проверить, правильно пропаяны шарики BGA или нет. Рентген-контроль, как правило, применяется на многослойных печатных платах, платах с высокой плотностью монтажа и для контроля пайки интегральных схем.
Раньше использовали выборочный метод контроля, при котором контрольные образцы плат разрезались. По очевидным причинам, всю партию таким образом проверить невозможно. Рентген-контроль — метод неразрушающего контроля (NDT — Non Destructive Test), при котором для получения изображения внутренних структур соединений используются рентгеновские лучи.
Определяемые X-Ray дефекты:
- мостики припоя;
- шарики припоя;
- пустоты;
- обрывы и ложная пайка;
- нарушения в точках пайки и т. д.
Внутрисхемное тестирование (ICT) — летающие зонды (FPT), «ложе гвоздей»
Для проведения внутрисхемного тестирования часто используется метод «летающие зонды» — Flying Probe Test (FPT).
FPT — автоматизированный метод контроля. Тестер представляет собой свободно перемещающиеся над платой зонды (два и более), последовательно подключающиеся к двум или более контрольным точкам на плате. Станция контроля программируется в соответствии со списком соединений и последовательно измеряет электрические свойства цепи между местами подключения зондов. Результаты сверяются с эталонными.
Внутрисхемныое тестирование используется для обнаружения таких дефектов как:
- обрыв цепи;
- короткое замыкание;
- неправильные и неисправные компоненты;
- отсутствующие компоненты;
- неисправности пайки;
- нарушенная полярность и т.д.
Компоненты, которые можно протестировать таким образом — это резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, диоды, реле, интегральные схемы, разъёмы и другие, а также сами цепи платы, включая межслойные переходы. Часто специально с учётом будущего тестирования зондами, на плате ещё в процессе проектирования и изготовления создают специальные контактные площадки (тестовые точки), которые не будут участвовать в монтаже и предназначены только для подключения зондов.
Для использования «ложа гвоздей» (Bed of Nails) наличие контрольных точек обязательно. Само устройство для тестирования — это специально изготавливающийся для конкретной платы стенд с наборными штифтами разного размера и диаметра (щупами). Штифты неподвижны и обычно ограничены по количеству, поэтому проводится меньше измерений, чем при инспекции «летающими зондами». Это минус, но само измерение проводится существенно быстрее, так как данные снимаются одновременно со всех точек подключения, поэтому «ложе гвоздей» больше подходит для контроля качества больших серий печатных плат, в то время как FPT чаще используют на небольших партиях, прототипах, тестовых платах и платах с высокой плотностью монтажа.
Визуальный осмотр
Несмотря на то, что платы тщательно проверены автоматическими и полуавтоматическими методами — по их завершении проводится визуальный контроль оператором линии контроля.
Проверка контроля качества
После прохождения всех этапов контроля проверяется само качество прохождения тестирования. Для этого специалист отдела качества проводит дополнительную выборочную проверку уже оттестированной партии. В случае обнаружения дефекта вся партия отправляется на повторную проверку.
Сквозная сборка THT (сборка через отверстия PTH)
Монтаж в отверстия (технология THT) заключается в размещении выводных компонентов в предназначенные для них отверстия в плате с последующим запаиванием выводов. В этом случае метод пайки оплавлением паяльной пасты не подходит, так как паста будет продавлена выводом компонента через отверстие и не сможет обеспечить создание надёжного соединения с достаточным количеством припоя в нём.
Вообще, если пристально посмотреть на плату, можно увидеть множество отверстий. В простейшем варианте они делятся на два типа:
- NPTH (NonPlated Through Hole) — сквозные отверстия без металлизации. Отверстие без металлизации (без покрытия) используется либо для позиционирования элемента, либо как монтажное отверсие, предназначенное для механического крепления компонента или, например, самой платы в корпусе прибора с помощью винта. Яркий пример — материнская плата с процессором. Через отверстия вокруг сокета крепится радиатор охлаждения или его рамка, а через многочисленные отверстия на плате осуществляется крепёж платы к корпусу ПК.
- PTH (Plated Through Hole) — это металлизированные проводящие отверстия. Металлизированное отверстие имеет покрытую стенку и обладает проводимостью. PTH, в свою очередь, также делятся на два подвида:
- Используемые в качестве токопроводящего соединения между слоями платы (Via);
- Используемые в качестве отверстия для пайки компонентов, в которые и происходит монтаж компонентов по технологии THT.
Сам процесс монтажа в отверстия можно разделить на 4 производственные операции.
- Сборка оснастки
Оснастка выступает в роли носителя печатной платы и собирается в большинстве случаев при выполнении монтажа компонентов в металлизированные (PTH) отверстия . Так как в процессе пайки участвуют только выводные элементы, остальные элементы должны быть защищены и закрываются оснасткой. Кроме того, некоторые элементы, устанавливаемые на плату, имеют довольно большой вес и при нагреве платы в паяльной станции могут прогнуть ставший от нагрева более пластичным материал платы. Пайка гибких и гибко-жёстких плат без оснастки невозможна по понятным причинам. Некоторые платы, особенно жёсткие и платы небольшого размера, оснастки не требуют, для них достаточно зажимов конвейерной ленты паяльной установки.
- Набивка компонентов
Набивка компонентов может осуществляться как вручную, так и с помощью автоматизированных устройств. Автоматический способ применяется ограниченно и обычно всё равно дополняется ручной набивкой из-за разнообразия выводов компонентов и способов набивки в отверстия. Для каждой платы необходима отдельная настройка установщика, что малоэффективно для единичных плат и малых серий. Во многих случаях выводы деталей должны быть подогнуты и зафиксированы в определённой форме, часто довольно замысловатой, что также сложно реализовать в автоматическом режиме.
- Пайка волной припоя
Технология применяется для больших партий и серийного производства и относительно проста. После размещения компонентов в отверстиях плата при необходимости крепится в оснастке и фиксируется в зажимах конвейерной ленты линии пайки. На выводы наносится жидкий флюс. Плата проходит тоннель предварительного нагрева для улучшения паяемости и активации флюса и далее проводится над волной расплавленного припоя, подающегося через щелевой эжектор.
Также может применяться и селективная пайка мини-волной припоя. Это более прогрессивный метод, который заключается в ограничении областей нанесения флюса, нагрева и омывания выводов припоем. Флюс наносится методом распыления через форсунки локально только на те области с выводами, которые нуждаются в пайке. Предварительно нагревается не вся плата, а локальные области с помощью керамических нагревателей. Мини-волна припоя формируется с помощью смачиваемой или не смачиваемой подвижной головки, которая обеспечивает локальное нанесение припоя на выводы компонентов. Пайка обычно осуществляется в среде инертного газа (азота) для уменьшения окисления выводов и снижения шламообразования в ванне с расплавом припоя.
- Обрезка выводов
После пайки со стороны выводов всегда остаются длинные нефункциональные концы штырьков компонентов. Их необходимо обрезать. В массовом производстве применяются автоматические машины для резки лишних участков выводов, но это может делаться и вручную.
Ручная пайка
В ряде случаев используется ручная пайка с использованием разнообразного оборудования пайки и проволочного припоя. На выводы наносится флюс, и монтажник пропаивает все выводы. Ручная пайка применяется чаще всего для монтажа чувствительных к нагреву деталей, деталей, которые удерживаются над плоскостью платы на собственных выводах или компонентов с гибкими выводами. Подобные элементы всегда должны быть указаны в технологической карте.
Качество ручной пайки сильно зависит от опыта монтажника, но в среднем количество дефектов при ручной сборке невелико и обычно даже меньше, чем при автоматическом монтаже THT. Скорость ручного монтажа, разумеется, существенно ниже.
Очистка и отмывка собранных плат
После окончания процессов монтажа SMT и THT для компонентов, которые допускают отмывку, платы отправляются на очистку для удаления остатков флюса, паяльной пасты и других загрязнений, которые могут присутствовать на поверхности. Платы могут отмываться вручную и в установках отмывки, для чего существует набор различных методов и приёмов, которые отличаются в зависимости от того, какие материалы использовались при сборке.
Очистка на водной основе
Наиболее распространённый метод. Отмывка ведётся при помощи водорастворимых моющих средств в смеси с ПАВ, которые удаляют загрязнения с поверхности платы. Платы могут погружаться в раствор полностью, с активным перемешиванием или ультразвуковой очисткой, либо омываться распылением или струёй моющего раствора под давлением.
Очистка растворителями
В этом случае используют растворы на основе органических растворителей — изопропилового спирта или ацетона. Спирт и ацетон эффективно удаляют остатки флюса, но достаточно агрессивны и летучи, поэтому для установки отмывки требуется хорошая система защиты от вредных испарений и вентиляция.
Водная отмывка
Платы отмываются горячей деионизированной водой под давлением. После отмывки платы просушиваются струёй горячего воздуха.
Ультразвуковая очистка
Представляет собой установку, создающую высокочастотные звуковые волны, распространяющиеся в моющем растворе с погруженными в него платами. В результате на поверхности платы и около неё создаётся эффект «вскипания», при котором образуют мельчайшие пузырьки, «взрывающиеся» и создающие при этом микроскопические ударные волны, удаляющие загрязнения с поверхности.
Очитка в паровой фазе (парофазная очистка)
Парофазная очистка используется довольно редко. В её основе — возгонка моющего средства в виде пара с последующей его конденсацией на поверхности платы, помещённой в паровую камеру.
Очистка омыляющими растворами
Используется в основном для удаления флюсов на основе канифоли, редко применяющихся в SMT монтаже. В этом случае используют щелочные моющие средства, омыляющие остатки смол химически, превращая их в растворимые вещества, которые можно смыть с поверхности.
Очистка ионизированным воздухом
Применяется в редких случаях и, в целом, представляет собой простое сдувание свободных частиц грязи, пыли т.п. с поверхности печатной платы.
Выбор способа очистки зависит от типа загрязняющих веществ, видов компонентов на печатной плате и необходимой степени чистоты, которая должна быть достигнута. Процесс механической очистки должен проводиться с осторожностью, чтобы не повредить распаянные элементы и хрупкие компоненты, такие как разъёмы и интегральные схемы.
После очистки в общем случае платы промывают водой для удаления следов чистящих средств и сушат тем или иным способом. К примеру — воздухом, обдувом инертным газом, безводным этанолом и т.д.
В завершении этапа проводится визуальный осмотр плат.
Пайка не моющихся деталей
Если в составе платы были SMD или PTH компоненты, не допускающие прохождение через отмывку, то они устанавливаются на этом этапе. Для этого используют «No Clean» флюсы — безотмывные флюсы, не требующие смывания после окончания пайки.
Повторный оптический контроль, рентген-контроль и ICT
После того, как на плату уставлены и моющиеся, и немоющиеся компоненты, повторяется процесс контроля качества пайки, как и после окончания SMT монтажа, при помощи систем AOI, X-Ray, ICT (внутрисхемный контроль «летающими зондами» или на «ложе гвоздей»). Различаются только программы тестирования, которые изменяются с учётом добавленных на плату новых компонентов. Для проверки на стенде типа «ложе гвоздей» также потребуется пересобрать тестовую оправку.
Финишный контроль и функциональное тестирование
FCT
Фактически, к этому моменту печатная плата собрана и должна быть работоспособна. Для того, чтобы убедиться, что плата способна функционировать так, как запроектировано, проводится функциональное тестирование (FCT).
Для этого либо собирается специальное испытательное устройство, либо заказчик платы может предоставить готовый тестер. Так как проверяется частичная или полная работоспособность печатной платы, может потребоваться программирование интегральных схем или запись прошивок.
В процессе тестирования производится подключение питания, передача тестовых аналоговых и цифровых сигналов, снятие значений сопротивления, индуктивности и т.д., вплоть до полного запуска и имитации работы прибора, для которого предназначена плата. Если в результате выявляются критические ошибки, с высокой долей вероятности плату придётся пересобирать с нуля, возможно, даже — с переделкой проекта, если ошибки заложены на этапе проектирования и плата не способна выполнять свои функции на принципиальном уровне.
Это тестирование — наиболее важное, так как именно оно показывает, будет ли вообще работать готовая печатная сборка или нет.
FQC
Финальный контроль качества. Включает дополнительную проверку качества всех этапов сборки и выборочный контроль плат в серии. Платы, прошедшие финальный контроль, считаются собранными надлежащим образом и качественными.
Конформное покрытие
Конформное покрытие — защитное. Оно не относится напрямую к монтажу компонентов на печатную плату и является скорее сервисным элементом сборки.
Конформное покрытие наносится для защиты готовой платы от грязи и воздействия окружающей среды. Также оно создаёт изолирующий слой, снижающий перекрёстные помехи, ограничивающий ток утечки и электрохимическую миграцию металла на поверхности платы. Материал покрытия выбирается, исходя из технических требований. Обычно в составе — акриловые смолы, полиуретан, эпоксидные смолы или разные их комбинации.
Нанесение конформного покрытия состоит из следующих операций:
- Очистка поверхности (удаление загрязнений и обезжиривание);
- Грунтование (нанесение праймера улучшает сцепление покрытия с поверхностью платы);
- Нанесение маски (защита элементов, которые не должны покрываться);
- Нанесение покрытия;
- Удаление маски;
- Сушка и отверждение покрытия;
- Контроль результата
Маркировка
Необязательный этап, на котором на плату наносится та или иная выходная информация. Это могут быть и простые наклеивающиеся этикетки, и лазерная гравировка, и трафаретная печать. Например, можно нанести серию и дату выпуска, QR-код, логотип производителя или заказчика.
В обязательном порядке обычно клеится маркировка производителя, которая позволяет ему отслеживать как всю серию, так и каждую конкретную плату в процессе дальнейшей досборки плат в конечные устройства, транспортировки и складского хранения. Эту же маркировку может использовать и заказчик после получения плат для монтажа в свои устройства, не заказывая нанесение специальных обозначений.
Упаковка
В самом простом случае, когда корпусирование или досборка происходит по месту сборки платы, платы могут храниться на паллетах в складском помещении с регулируемой температурой и влажностью.
Но так как досборка плат в конечные устройства часто происходит не по месту производства, надёжная упаковка крайне важна для сохранения печатных сборок в хорошем состоянии. Нередко собранные платы пересекают половину земного шара на пути к заказчику, и при этом они должны сохранить свою работоспособность в условиях повышенной влажности, перепадов давления и вибрации при доставке по воздуху, железной дороге или во время морского путешествия в контейнере на открытой палубе контейнеровоза.
Как минимум, платы упаковывают в полиэтиленовые ESD пакеты и фиксируют в картонных коробках при помощи картонных или пенопластовых профильных элементов, защищают пузырчатой плёнкой или пеной.
Для особо хрупких или дорогостоящих изделий создаётся отдельная упаковка по специальным проектам из формованной пены, платы помещаются в пластиковые ящики, деревянные короба или даже кейсы из алюминия или стали. В самых сложных случаях дополнительно может потребоваться герметизация, добавление осушающих агентов или заполнение герметичной тары осушенным воздухом или инертными газами.
Качественная упаковка гарантирует, что хрупкая электронная сборка прибудет к заказчику в идеальном состоянии.