книгу - Electrolib.com

Особенности дизайна электронных модулей
для условий автоматической сборки
В данной записке приведены настоятельные рекомендации, касающиеся дизайна электронных
модулей, проектируемых с применением компонентов поверхностного монтажа. Выполнение
данных рекомендаций позволяет сделать изделие максимально технологичным. Главным
образом, удается минимизировать количество технологических операций, в особенности
операций, выполняемых вручную. Как следствие, повышается общее качество изделия,
сокращаются трудозатраты, общее время производства, а, следовательно, и итоговая стоимость
изделия.
Типы электронных модулей с применением поверхностно-монтируемых
(SMD) компонентов.
Конструктивно, существуют пять типов электронных модулей:
1. Односторонний SMD-модуль
Модули данного типа имеют только SMD-компоненты. Компоненты располагаются на одной
стороне печатной платы. Производство данных модулей наиболее технологично – ручная пайка
отсутствует, монтаж и пайка компонентов осуществляются на автоматической линии за один
проход.
2. Двухсторонний SMD-модуль
Модули данного типа также имеют только SMD-компоненты, однако они могут располагаться
на обеих сторонах печатной платы. Производство данных модулей также осуществляется на
автоматической линии, но уже в два прохода:
- монтаж и пайка SMD-компонентов на верхней стороне (автомат);
- монтаж и пайка SMD-компонентов на нижней стороне (автомат).
3. Односторонний модуль со смешанным монтажом
Модули данного типа имеют как SMD компоненты, так и компоненты, устанавливаемые
выводами в отверстия печатной платы (штырьевые компоненты). Все компоненты
располагаются на верхней стороне платы. Процесс изготовления данных модулей состоит из
трех основных технологических операций:
- монтаж и пайка SMD-компонентов на верхней стороне (автомат);
- установка штырьевых компонентов на верхнюю сторону (автомат или вручную);
- волновая пайка штырьевых компонентов (автомат).
4. Двухсторонний модуль со смешанным монтажом (тип А)
Модули данного типа также имеют как SMD, так и штырьевые компоненты. При этом
штырьевые компоненты могут располагаться только на верхней стороне платы, а SMD
компоненты - на обеих сторонах. Производство данных модулей проходит уже в четыре этапа:
- монтаж и пайка SMD-компонентов на верхней стороне (автомат);
- монтаж SMD-компонентов на нижней стороне (автомат);
- установка штырьевых компонентов на верхнюю сторону (автомат или вручную);
- волновая пайка штырьевых компонентов и SMD-компонентов на нижней стороне (автомат).
5. Двухсторонний модуль со смешанным монтажом (тип В)
В отличие от типа А на модулях данного типа штырьевые компоненты присутствуют как на
верхней, так и на нижней стороне печатной платы. Изготовление данных модулей наименее
технологично, а значит наиболее дорого и наименее качественно, так как к четырем основным
технологическим операциям (как для типа А) добавляются три ручные операции:
- монтаж и пайка SMD-компонентов на верхней стороне (автомат);
- монтаж SMD-компонентов на нижней стороне (автомат);
- нанесение паяльной маски - маска наносится на отверстия платы, предназначенные для
монтажа штырьевых компонентов на нижнюю сторону (вручную);
- установка штырьевых компонентов на верхнюю сторону (автомат или вручную);
- волновая пайка штырьевых компонентов и SMD-компонентов на нижней стороне (автомат).
- удаление паяльной маски;
- монтаж и пайка штырьевых компонентов, устанавливаемых на нижнюю сторону
(вручную).
Если модуль содержит небольшое количество штырьевых компонентов (точнее, небольшое
количество точек пайки), тогда все штырьевые компоненты можно запаивать вручную. В
данном случае техпроцесс вкратце выглядит следующим образом:
- монтаж и пайка SMD-компонентов на нижней стороне (автомат);
- монтаж и пайка SMD-компонентов на верхней стороне (автомат);
- монтаж и пайка штырьевых компонентов (вручную).
При этом необходимо помнить, что по сравнению с ручной пайкой, процесс волновой пайки
происходит гораздо быстрее - его длительность не зависит от количества точек пайки, а главное,
волновая пайка обеспечивает более качественные паяные соединения.
Указанные типы электронных модулей перечислены от наиболее к наименее технологичному.
Рекомендации к дизайну электронных модулей.
Главное
Для получения максимального качества и минимальной себестоимости модуля
необходимо стремиться спроектировать его так, чтобы он получился как можно более
технологичным. То есть, применительно ко всему выше сказанному, если есть возможность
разместить все компоненты на одной стороне платы – СЛЕДУЕТ сделать именно так.
Если на модуле имеются как SMD так и штырьевые компоненты, часто возникает
необходимость в двухстороннем монтаже. В этом случае, сначала на нижней стороне следует
попытаться разместить часть безвыводных ЧИП-компонентов, так как они наиболее просто
паяются волной. Затем можно разместить компоненты в корпусах SOT-23, и, в случае крайней
необходимости, в корпусах SOIC с шагом не менее 1.25 мм. Прочие компоненты либо не
предназначены для операции волновой пайки, либо требуют большого объема ручных
послепаечных работ. Кроме того, высота SMD-компонентов, предназначеных для волновой
пайки, не должна превышать 4 мм.
В экстренных случаях на нижнюю сторону можно перенести и некоторые штырьевые
компоненты, при этом необходимо иметь в виду, что все они будут запаиваться вручную, кроме
этого в техпроцесс добавляется две операции – нанесение и снятие паяльного резиста. Поэтому
необходимо постараться минимизировать суммарное количество выводов таких компонентов
(таким образом минимизируется объем ручной работы).
Если по каким-то причинам операция волновой пайки из техпроцесса исключается, тогда на
верхней стороне рекомендуется разместить все относительно тяжелые SMD компоненты микросхемы, транcформаторы, реле и пр. Остальные компоненты можно размещать на обеих
сторонах платы. При этом необходимо иметь в виду, что без операции волновой пайки, все
штырьевые компоненты на модуле придется запаивать вручную.
Прочие рекомендации
1. Верхняя сторона печатной платы
•
Компоненты должны располагаться как можно более равномерно по всей поверхности
платы. Это необходимо для обеспечения равномерного прогрева модуля в ходе операций
автоматической пайки;
•
С двух противоположных сторон на платах должны иметься зоны, свободные от
компонентов (см. рис. ниже). Данные зоны необходимы для осуществления захвата
модуля аппаратами автоматической линии. Данная рекомендация может быть обеспечена
путем добавления к печатной плате пустых технологических зазоров, которые после
операций пайки отрезаются, однако это увеличивает площадь заготовки для печатной
платы, что приводит к ее некоторому удорожанию.
•
Для обеспечения свободного перехода между аппаратами линии углы печатной платы
должны быть срезаны под углом 45 º.
•
На верхней стороне платы должны присутствовать базовые точки, необходимые для
точного позиционирования платы в автоматических аппаратах (в случае двухстороннего
SMD-монтажа точки должны присутствовать на обеих сторонах платы). Количество
точек на одной стороне 2 – 4 шт. Точки должны располагаться как можно ближе к углам
платы (по одной точке на каждый угол), но на расстоянии не менее 7 мм от края платы
(то есть вне зон захвата).
•
При наличии на модуле компонентов с шагом выводов менее 1 мм на плате должны
присутствовать дополнительные точки – по 2 шт. на каждый такой компонент. Данные
точки должны располагаться в непосредственной близости к противоположным углам
соответствующих компонентов. Это необходимо для обеспечения повышенной точности
при установке компонентов с малым шагом. Предпочтительный диаметр базовых точек –
1 мм. Точки должны быть лужеными. На расстоянии не менее 1 мм вокрух точек
проводящий материал и паяльная маска должны отсутствовать.
A
B
D
A ≥ 5 мм
B ≥ 7 мм
D = 1 мм
Базовые точки
Свободные зоны
С ≥ 3 мм
E = 3 ~ 5 мм
C
E
•
для образования качественных паяных соединений, контактные площадки для SMD
компонентов должны проектироваться в соответствии с рекомендациями производителей
компонентов. Вкратце эти рекомендации сводятся примерно к следующим простым
правилам:
Для ЧИП и аналогичных компонентов
А
B
А = H ~ H * 1,2 ,
где H – высота
компонента (точнее,
высота его выводов)
E
D
E = D ~ D * 1,2
C = B ~ B * 0,8
C
Для SOT, SOIC, PLCC, QFP и других аналогичных компонентов:
B
C
E
A
D
A=B
D=C/2~C
E = C ~ C * 1,5
•
ЧИП компоненты 0805 должны располагаться относительно более высоких компонентов
так, чтобы расстояние от их центра до корпуса более высокого компонента было не
менее 3 мм. Для ЧИП компонентов 0603 и менее это расстояние должно быть не менее 2
мм. Это исключает вероятность сдвига высоких компонентов в процессе установки более
низких компонентов.
Низкий компонент
А ≥ 3 мм (для 0805)
А ≥ 2 мм (для 0603 и менее)
А
А
Высокие компоненты
•
Для обеспечения возможности визуальной инспекции, вокруг BGA корпусов на
расстоянии не менее 5 мм компонентов быть не должно.
•
Диаметр отверстий для штырьевых компонентов должен составлять 120 – 150 % от
диаметра соответствующего вывода компонента. Это необходимо для обеспечения
возможности нормального флюсования и последующего затекания припоя в
процессе волновой пайки.
•
Для штырьевых компонентов должен быть предусмотрен способ, исключающий
возможность опускания их выводов в процессе волновой пайки на расстояние более чем
3 мм от нижней поверхности платы.
2. Обратная сторона печатной платы
Все рекомендации для верхней стороны платы справедливы и для обратной стороны, при этом,
если плата будет подвержена операции волновой пайки, существует ряд дополнительных
рекомендаций:
•
Для исключения образования припойных перемычек, между паяемыми поверхностями
необходимо обеспечить определенные зазоры. Также, для исключения непропаев, низкие
компоненты должны располагаться на определенном расстоянии от высоких
компонентов.
B
C
А
A≥B
C≥D
D
E≥F
E
G ≥ H,
где H – высота более
высокого компонента
G
F
G
•
Для исключения образования припойных перемычек, близко расположенные монтажные
отверстия должны иметь минимально допустимый диаметр, так же, как и их окантовка.
•
Если на нижней стороне присутствуют компоненты SOIC, они должны располагаться по
ходу движения платы в установке волновой пайки. Кроме того, для минимизации
количества припойных перемычек, размеры контактных площадок для крайних выводов
рекомендуется увеличить.
А=В*4
А
Направление движения платы
В