Ручной монтаж сложных плат на компонентах 0402, 0603, QFN, LQFP и THT
Сегодня речь пойдет о том, как добиться высокого качества монтажа на платах с большим количеством компонентов — до 1500шт (можно и больше при плотном монтаже или при сборке 1-2 плат одновременно — не более). Потребность в таком сложном монтаже обычно возникает при изготовлении первого макета или нескольких образцов, чтобы убедиться в правильности трассировки печатной платы (основных сложных моментов) или же при разовом производстве. После получения такого макета можно начинать отлаживать программное обеспечение и вносить корректировки в плату. Заводская сборка, в этом случае, не совсем подходит из-за ее стоимости, подготовки конструкторской документации, подборки компонентов, сроков, макетирования и многого другого (под катом картинки на 8Мб).
Рис. 1. Готовая печатная плата с компонентами 0402 (обратная сторона).
Итак, начнем с того, что определим, что нам понадобиться. Весь поверхностный монтаж будет производиться феном и паяльной пастой, так как это в разы быстрее и качественнее чем паяльником и припоем в проволоке.
1. Паяльная станция (например, Lukey 852D+ с насадкой 10мм).
2. Тонкий немагнитный пинцет (для установки компонентов).
3. Пинцет с широким захватом (для нанесения паяльной пасты).
4. Флюс (например, Amtech NC-559-ASM, или другой безотмывочный).
5. Паяльная паста (Solder paste W001).
6. Хороший свет и стол.
7. Кисточка/ванночка/спирт для промывки печатной платы.
В процессе станет понятно что есть что, так что тут заострять внимание не будем. Для начала выполним все приготовления и поймем технологию пайки. Для того, чтобы спаять две поверхности, их необходимо сначала залудить, затем прислонить друг к другу, нагреть и после того, как олово полностью расплавится — остудить. Это вкратце. Качественная пайка не имеет вкраплений, раковин, трещин и имеет однородную структуру. Остывание припоя должно происходить в неподвижном состоянии, только в этом случае он застынет правильно.
Паяльную пасту необходимо немного доработать. Для того, чтобы она хорошо накладывалась и растекалась равномерным слоем ее необходимо разбавить с флюсом в пропорции примерно 2:1 (хорошо размешать в однородную массу). В некоторых случаях пропорция может изменяться, например, если все контактные площадки имеют большую площадь, то припой должен быть несколько гуще и наоборот.
Рис. 2. Паяльная паста.
Для того, чтобы пошагово объяснить весь процесс монтажа спаяем часть небольшой платы на которой расположены различные компоненты. Первое, что необходимо сделать (если плата только с производства и чистая) — это нанести на нее припой. Самый простой и быстрый, при определенной сноровке, способ — это нанесение широким пинцетом (или шпателем). Ниже приведены слайды процесса нанесения припоя. За один раз необходимо брать небольшое количество припоя и аккуратно равномерным и тонким слоем наносить его на плату (как лопаткой). Нет необходимости наносить его исключительно на контактные площадки, в процессе прогрева, из-за большого количества флюса, лишнее олово перейдет на контактные площадки либо превратиться в шарики, которые необходимо перенести на контактные площадки вручную (далее будет описано как это делать).
Рис. 3. Процесс нанесения припоя на плату.
Расстановка компонентов. Не все компоненты можно расставлять сразу после нанесения паяльной пасты. Например, элементы в корпусах LQFP с шагом выводов меньше чем 0,8 мм необходимо ставить немного позже — уже после первого прогрева феном, в противном случае, будут короткие замыкания между выводами, которые будет сложно удалить (конечно можно использовать «оплетку», но попробуем обходиться без нее). Итак, в первую очередь установим SMD конденсаторы, резисторы, диоды и т.д, компоненты в QFN корпусах. Для этого нам необходим тонкий немагнитный пинцет. Для быстрого и удобного поиска компонентов я использую поиск в Altium Designer (проект, соответственно сделан там же). Поиск компонентов выполняется слева направо, сверху вниз, выбираем компонент, например, конденсатор 100n, находим их все и устанавливаем на плату.
Рис. 4. Установка компонентов на плату.
Если необходимо собрать несколько плат, то лучше устанавливать компоненты сразу на 2 или 4 платы, так как в этом случае уменьшается вероятности ошибки установки компонентов не на те места, также это значительно уменьшит общее время сборки. Для того, чтобы упростить сборку, компоненты могут быть помещены в кассу, тогда их удобнее доставать и быстро запоминается их местонахождение. После того, как все необходимые компоненты установлены можно приступать к прогреву и непосредственно пайке. Плата должна лежать на ровной поверхности, которая не боится сильного нагрева. В левой руке необходимо держать фен, в правой пинцет. Температура (выставленная на индикаторе) приблизительно 390 град. — это довольно высокая температура, но именно для этой станции такое значение является нормальным (также, если нет специальных ограничений по температуре пайки компонентов). Процесс пайки сводится к прогреву отдельных частей платы (делать это нужно как можно равномернее), на которых стоят компоненты, избегая перегревов и «вспучивания» текстолита. Для плат с маленьким количеством больших полигонов и 4-слоек температуру необходимо уменьшить до 360 град. Во время прогрева необходимо следить за тем, как плавится олово и одновременно пинцетом поправлять компоненты на контактных площадках. Особенно следите за компонентами типоразмера 0402, так как они начинают «плыть» на флюсе и могут перемешаться на плате. В процессе пайки олово скатывается в шарики, а между некоторыми контактными площадками образуются «залипоны» убирается это все с помощью компонента (например, конденсатора), захваченного пинцетом (главное запомнить с какого места взят компонент). Он собирает на себя лишнее олово, которое потом можно перенести на большие контактные площадки. Все это необходимо делать при прогреве платы, пока не высох флюс (его можно нанести отдельно, если что-то не получилось с первого раза). После пайки первой партии компонентов плата выглядит примерно так:
Рис. 5. Первый прогрев.
Я намеренно не стал устанавливать SOIC, чтобы показать как удобнее его паять. Перед установкой компонентов в LQFP и SOIC необходимо нанести тонкий слой флюса на (залуженные!) контактные площадки — это сделает пайку более качественной. Далее устанавливаем оставшиеся компоненты. Замечу, что чем меньше шаг выводов у компонентов, тем точнее их нужно позиционировать. Например, STM32F107 в корпусе LQFP64 во время прогрева будет не поднять пинцетом, так как если он сдвинется хотя бы на половину шага выводов (а это всего 0,25 мм), то олово зальется на соседние контактные площадки. SOIC можно будет приподнять для предварительного прогрева платы, так же это актуально для компонентов в пластиковом корпусе (реле, разъемы, оптопары и т. д.). При втором прогреве уже нет необходимости прогревать всю плату, можно ограничиться теми местами, где установлены необходимые компоненты. После пайки и промывки плата выглядит так:
Рис. 6. Второй прогрев.
Данная плата имеет двухсторонний монтаж. При пайке компонентов с другой стороны нижние (установленные ранее) начнут съезжать. Чтобы этого не происходило, необходимо установить плату на монтажные стойки (закрепить в держателе) или поставить несколько разъемов, чтобы избежать соприкосновения уже припаянных компонентов с поверхностью. Для качественной пайки выводных компонентов, тоже имеется пару ухищрений. Я всегда использую припой с флюсом (например RA-0,5), диаметром, соответственно, 0,5 мм. Чтобы получилось правильное затекание припоя между металлизированным отверстием и выводом компонента необходимо, чтобы во время непосредственно процесса пайки всегда соприкасались четыре предмета: паяльник, контактная площадка, вывод компонента и припой, а делается это так: прислоняем паяльник к выводу так, чтобы он одновременно касался пояска «пада», затем подносим припой и прислоняем его к паяльнику, как можно ближе к выводу компонента и «паду». В результате этого припой будет затекать в разогретое отверстие и образует небольшой «наплыв», после чего необходимо убрать припой, а затем паяльник от вывода и «пада».
Рис. 7. Пайка выводных компонентов.
В следующей статье я расскажу про установку BGA компонентов (BGA84, BGA78, BGA620 и даже BGA1084) с помощью фена. А также плюсы и минусы установки BGA при помощи специализированной инфракрасной паяльной станции.
PS: Если есть какие-либо советы на тему ручного монтажа, с удовольствием выслушаю, также могу подсказать, если что-то осталось неясным.
Пайка QFN-корпусов
А как вы паяете QFN корпуса?
У меня вот так получается:
Технологию пайки уже отработал, самое сложное — позиционирование перед пайкой.
Комментарии 55
А как на плёночной плате перепаять HTSOP ? (драйвера ЭБУ) Я так ноги облуживаю сплавом Вуда, потом подогреваю снизу и грею сверху феном по центру микросхемы, пока легко не снимется. Лапы отпаиваются первыми, потом центр…
Вставлю свои 5 копеек, нужно использовать хорошии флюс, например 223 или 559, последнии творит чудеса и не агрессивен, безотмывочный. Впервые использовал для монтажа БГА, результат впечатлил- пользую до сих пор везде. В качестве паяла имхо лучше фена для сих целей не придумаешь, главное принаровиться, чтоб не перегреть деталь или того хуже текстолит. А потренероваться можно на старых платах, особенно мультиконтроллеры)) успехов в творениях.
микрухи в таких корпусах чаще приходится вручную снимать и ставить, чем ставить с нуля.
обычно на "пузе" земля и по началу были проблемы с излишками пасты под микрухой. решилось все переходными отверстиями под пузом. излишки пасты просто вытекают на боттом.
при необходимости замены микросхемы в куэфэн корупсе при ремонте платы пользуюсь феном и паяльником. снимаю старую, новую облуживаю и припаиваю, с позиционированием проблем никогда не возникало, шприц с флюх плюсом или лти всегда под рукой. если плата теплоемкая с большим числом полигонов и слоев, дополнительно подогреваю вторым феном еще и снизу. столиками с подогревом не пользуюсь. тк смысла в них нет в моем случае.
пс я занимаюсь ручным и автоматическим монтажом печатных плат и ремонтом. работа такая. есть в наличии и печи и ремонтные станции и принтер для нанесения пасты через трафарет. производство в общем.
Тоже паяю обычным паяльником, в редких случаях воздухом.
пора бежать от канифоли, уж больно она грязная, даже не дорогие жирные флюсы вряд ли уступят канифоли… хотя сам до сих пор сижу на ЛУТ и FeCl3, никак не могу шагнуть в сторону фоторезиста. А вообще если тема интересна то надо двигатся, надо расширять свои горизонты. Ненужно сидеть на месте ибо это деградация, раньше из доски, куска проволки и резинки делали оружие, а сейчас половина людей не способна два провода скрутить. Технологии идут в гору а мозг людей в каменный век. А по теме то кому как удобней, кто работал с BGA тому просто посадить феном, кто этих букв незнает тому паяльник с острым жалом, не трясущихся рук и терпения. Когда я начинал работать в мастерской по ремонту телефонов, то мой так сказать учитель поднимал проц с нокии 6300 и без ребола и остывания тут же его ставил на место, при чем он четко попадал на место и 9 из 10 труб после этого заводились, для меня это пока эталон. В общем совершенствуйте свои навыки! Самокат ветерана мой кумир =) половина его подделок стоит у меня в машине =)
Паяльник с жироким жалом и хорошо растолченная в мелкий мелкий порошок канифоль.И потиху жалом с припоем прижимаешь.Там где лужено или медь то все остается.Канифоль лишняя смывается растворителем и все гуд!
Глицерино-Утюжный метод пайки QFN корпусов
Данный метод был придуман в процессе сборки программатора STK500v2 от Bonio тык.
Программатор содержит в себе микросхему cp2102 в qfn корпусе которую мне потребовалось запаять. Из оборудования в наличии был только паяльник да утюг для лута. Паяльником я такую мелочь запаивать побоялся, ибо нечто меньшее чем DIP паять до этого не приходилось. Покупать паяльную станцию ради одной платы тоже не вариант. Да и хотелось запаять побыстрее. Пришлось заюзать смекалку и гугл.
Как оказалось в интернете не так много материала по извращенской кустарной пайке подобного. Единственное что я нашел — это видео где некто утюгом паяет smd резисторы. Такая пайка меня не слишком устроила ибо теряется товарный вид платы, она чернеет и выглядит не труъ.
Чтобы плата не чернела нужен контроль температуры и некий теплопроводник, воздух между платой и утюгом не вариант — припой либо не плавится либо чернеет плата. Решил использовать глицерин, он и ещё и как флюс работает. Температуру утюга контролировал термопарой от мультиметра.
Вот что из этого вышло: 
Суть метода видна из картинки. Берём утюг, переворачиваем, капаем глицерина, кидаем в него предварительно залуженную плату, позиционируем чип(с предварительно облуженными контактами) включаем утюг, ждем. Припой плавится, чип припаивается. Для верности потыкал его зубочисткой. В общем подход тот-же что и при пайке феном, но без фена.
Во время пайки меня ждал первый фейл: глицерин был аптечный 85% и вода в нём начала кипеть и кидать плату в разные стороны, поэтому следует использовать либо чистый глицерин либо прокипятить аптечный на том-же утюге. В этот же момент можно подбирать нужную температуру поверхности.
PS: В качестве припоя использовал непонятный сплав проданный мне под видом сплава розе, но с температурой плавления порядка 130 градусов. Температура утюга во время пайки была 160-175 градусов.
PPS: кстати, вот такая платка получилась, первый лут, первый qfn…
Дефекты пайки QFN корпусов — Образование пустот, Смещениие компонента — Способы их устранения
QFN-корпус — это плоский корпус, выводы которого расположены по периметру под корпусом, контактные площадки расположены в центре под корпусом. Популярность корпуса в технологии поверхностного монтажа обусловлена его компактностью. Это маленький компактный корпус с рабочей зоной, которая почти совпадает с размерами корпуса. QFN-корпус обладает прекрасными тепловыми и электрическими характеристиками, контактные площадки, расположенные по периметру, облегчают монтаж печатных плат. За счет этих качеств QFN-корпус – оптимальный выбор в тех случаях, когда электрические характеристики, вес и размер играют важную роль в исполнении конструкции. Несмотря на свои преимущества, QFN-корпус вызывает большое количество вопросов, связанных с его использованием.
Такие дефекты, как перемычки, образование пустот, заставляют проявлять недоверие, особенно из-за прочно закрепившейся репутации о склонности QFN-корпуса к образованию пустот. В сочетании с бессвинцовой технологией тенденция к образованию пустот становится настоящей головной болью.
Образование пустот под QFN-корпусом
Образование пустот при пайке QFN-корпуса возникает тогда, когда летучие фракции флюса, как правило, во время пайки оплавлением, не могут выйти и удерживаются под контактной площадкой. В отличие от QFP-корпуса (корпус с четырехсторонним расположением выводов в форме крыла чайки) QFN-корпус не имеет выводов, и, как следствие, в нем не предусмотрены зазоры, которые способны гасить внешнее воздействие и позволяют летучим фракциям испаряться. Как видно на фотографии выше, для обнаружения такого дефекта, как пустоты под корпусом, применяется рентген контроль.
Подвижность QFN-корпуса
Еще одна серьезная проблема QFN-корпуса – подвижность компонента. Конструктивной особенностью сверхмалого QFN-корпуса является большая металлическая контактная площадка, расположенная в его центре. При пайке контактной площадки припойной пастой либо при нанесении пасты толстым слоем вес компонента и/или поверхностное натяжение могут оказаться недостаточными, чтобы вдавить компонент в поверхность платы; это может привести к тому, что корпус будет буквально плавать поверх расплавленного припоя.
При слишком малом размере апертуры центральной контактной площадки слой пасты в этой области будет значительно толще слоя пасты на маленьких контактных площадках, которые расположены вдоль краев корпуса.
В результате, QFN-корпус может не припаяться к этим контактным площадкам. Толстый слой припоя в центре может привести к тому, что QFN-корпус во время пайки завалится на одну сторону, противоположная же сторона поднимется, образует пустоты вдоль края, что приведет к выпиранию компонента корпуса.
Способы сократить образование пустот.
Чтобы предотвратить смещение, необходимо уменьшить слой паяльной пасты на центральной контактной площадке. Наиболее эффективный способ получить результат – уменьшить размер апертуры трафарета с соблюдением соответствующих инструкций. Необходимо разделить большую апертуру трафарета на несколько маленьких. Такая мера позволит не только сократить количество припоя, но дополнительно сократить возможность и частоту образования пустот, разбрызгивания и выделения газа.
Самый лучший способ – внести конструктивные измерения в трафарет на стадии его разработки. Во многих случаях дополнительные апертуры в трафарете и разделение крупных апертур трафарета и самих контактных площадок печатной платы на несколько более мелких, способно значительно сократить частоту образования пустот. И хотя флюс может по-прежнему удерживаться в отверстии, в этом случае выделение газа проходит без образования пустот из-за возможности испарения летучих фракций.
Контрактные производители, как правило, не имеют права вносить изменения в конструкцию выпускаемых ими печатных плат, следовательно, оптимальное решение – изменить размер апертуры, толщину и конструкцию трафарета. Внесение изменений в температурный профиль пайки едва ли окажет положительное влияние на уменьшение объемов образования пустот.
Уменьшение размера апертуры.
При оценке эффективности уменьшения размера апертуры были использованы разные конструкции и разный процентный объем сокращения размеров. Самые стабильные и в целом благоприятные результаты показали опыты с уменьшением размера апертуры на 30–50 % за счет организации в виде ячеек.
Стандартный процент покрытия паяльной пастой до пайки находился в диапазоне 50– 80 %. Конструкция при уменьшении размера апертуры может находиться в прямой зависимости от производимого типа печатного узла. Пустоты на отверстиях могут негативно отразиться на производительности высокоскоростных радиочастотных устройств.
Возможно, потребуется закрыть или заглушить отверстия, чтобы предотвратить затекание припоя внутрь отверстий во время пайки. Кроме того, замена большой заземленной контактной площадки, расположенной в центре, несколькими маленькими контактными площадками, расположенными в виде сетки, которые позволят разбить или покрыть пространство, обеспечит выведение газа между контактными площадками под компонентами.
На фотографии сверху представлена опытная сборка корпуса QFN (артикул PCB2009-AIM), выполненная в Центре технических разработок компании «AIM», разработанная совместно с компанией «Прэктикал Компоунентс». На фотографии ниже показаны типы апертур, которые были использованы для проведения испытаний и показали хорошие результаты с точки зрения минимизации образования пустот под корпусом QFN.
В соответствии со статистическими данными, приведенными ниже, некоторые из типов конструкций способны оказать значительное влияние на результат. Прямой зависимости между процентным сокращением количества пасты и порообразование не существует; при этом уменьшение количества пасты и особенная геометрия апертуры способны влиять на объем порообразования и его форму.
Тип конструкции апертуры и объем используемой пасты (сравнение со сплошной конструкцией)
А. 57,26 I. 58,82 Q. 42,96
B. 47,14 J. 56,78 R. 43,20
Примечание. Правильный размер и геометрия апертуры помогает устранить образование пустот. В зависимости от геометрии в каждом случае требуется разное количество пасты.
Результаты, полученные в большинстве случаев, свидетельствуют о том, что трафарет толщиной в 100 микрон в большей степени препятствует порообразованию пустот при сравнении с трафаретом толщиной в 130 микрон.
При этом важно отметить: при уменьшении толщины трафарета может пострадать качество паяных соединений контактных площадок и выводов. Результаты, полученные в большинстве случаев, свидетельствуют о том, что трафарет толщиной в 100 микрон в большей степени препятствует образованию пустот при сравнении с трафаретом толщиной в 127 микрон.
Монтаж и типы контактных площадок
Равномерное и постоянное давление при установке компонентов, а также равномерная глубина установки – краеугольные факторы, которые оказывают влияние на качество пайки корпуса QFN. Чтобы облегчить монтаж, компонент должен находиться под давлением со всех сторон. Незначительный уклон контактных площадок на 15–20 % обеспечит необходимое давление и позволит выходить излишкам газа. В однорядных корпусах QFN контактные площадки не должны «проседать» под компонентом (зажиматься компонентом).
Температурный профиль.
Профиль типа «нагрев – выдержка — пик» с повышенной температурой на стадии выдержки и увеличенным временем выдержки доказал свою эффективность в сокращении количества и размеров пустот BGA-корпуса, при этом на первом плане стоял вопрос уменьшения размера апертуры. Стандартный профиль предполагает нагрев от комнатной температуры до температуры в 190°С за 75–90 секунд, выдержку при температуре в 190°С в течение 60–120 секунд с дальнейшим превышением на 20 °С температуры плавления припоя и выдержкой при температуре точки плавления в течение 60–75 секунд.
Нельзя недооценить нестабильность этого недавно появившегося изделия. Как уже было сказано, изменения на стадии проектирования являются самыми эффективными, фактически они могут сократить количество материала, необходимого для испарения летучих фракций из флюса. Скопление летучих фракций – основная причина образования пустот. С учетом большого размера центральной контактной площадки дополнительные апертуры в трафарете и разделенная на несколько более мелких заземленная контактная площадка способствует испарению летучих фракций при наличии газа и его выведении, сокращая или устраняя такой дефект, как порообразование. Изменение температурного профиля не является эффективной мерой. Однако профили с низкими температурными режимами способны сократить количество пустот под горячей контактной площадкой. Альтернатива – сократить количество пасты под центральной контактной площадкой корпуса QFN за счет изменения конструкции трафарета. Такое решение способно уменьшить до минимального количество пустот, предотвратить смещение и получить лучший результат за счет устранения самой возможности возникновения этих двух основных дефектов.