Корпуса для компонентов неправильной формы

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 2

ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ

Поверхностный монтаж допускает высокоскоростную авто­матическую установку компонентов с частотой появления дефек­тов (100—1000) • 10“⁶ в зависимости от сложности конструкции корпуса. Недостаток коммутационных плат (КП) для ТПМК заключается в том, что они менее удобны, чем традиционные, для проверки, испытаний и ремонта. Многовыводные корпуса требуют проектирования узких коммутационных дорожек с ма­лым шагом между ними и, если не оптимизированы условия пай­ки, могут возникнуть проблемы, связанные с образованием пе­ремычек припоя между соседними проводящими дорожками и выводами. В любом случае существуют некоторые ограничения, налагаемые, например, в отдельных случаях на пайку компонен­тов волной припоя или погружением либо на методы пайки рас­плавлением дозированного припоя; для большинства коммута­ционных плат весьма трудно осуществить эффективную визуаль­ную проверку качества пайки, поскольку выводы компонентов:, могут быть частично или полностью скрыты телом самого компонента; в то же время использование топологии платы, обеспе­чивающей осмотр каждого соединительного узла за пределами периметра корпуса компонента, неизбежно привело бы к неэф­фективному использованию рабочего поля платы. Таким обра­зом, необходимо тщательно прорабатывать вопросы испытания изготовленных плат. Применение в этом случае испытательных зондов чаще всего не эффективно из-за слишком малого расстоя­ния (шага) между выводами и коммутационными дорожками.

ОТВОД ТЕПЛА

Проблема теплоотвода, по-видимому, одна из наиболее рас­пространенных и трудных в количественной оценке для изделий с применением ТПМК. Вследствие малого расстояния между ком­понентами количество тепла, выделяемого компонентами на еди­ницу площади платы, существенно увеличивается. При разра­ботке конструкции платы отвод тепла должен обязательно учи­тываться. Для улучшения теплоотвода можно использовать, например, платы на основе инвара, плакированного медью, хотя они дороже и массивнее обычных стеклоэпоксидных плат, кото­рые также используются в ТПМК.

Несогласованность коэффициентов теплового расширения контактирующих материалов платы и корпуса компонента приводит реально к усталостным напряжениям и развитию дефектов в местах пайки вследствие постоянного термоциклирования, связанного с цикличностью работы устройств. В конечном итоге может развиться обширное коробление и плата разрушится. По этой причине на традиционных платах нецелесообразно монтировать компоненты в керамических корпусах с габаритами, превышающими 6 мм, а в процессе проектирования плат приходится принимать альтернативные решения.

КОМПОНЕНТЫ И КОРПУСА

Корпуса для поверхностного монтажа примерно вдвое меньше своих аналогов, монтируемых в отверстия. В настоящее время имеется более 25 000 типономиналов компонентов в исполнении, пригодном для поверхностного монтажа, и все основные производители приспособили свои сборочные линии для установки таких корпусов. Изготовителей серьезно беспокоит недостаток стандартизации. Нужны еще стандарты на размеры корпусов, топологию контактных площадок, топологию коммутации и электрические характеристики. Фактически стандарты появляются на: чип- резисторы в корпусах типоразмера 1206; чип-конденсаторы в корпусах 0805, 1206, 1210 и 1812; на корпуса SOT-23 и SOT-89 (ТО-236 и ТО-243 соответственно); на корпус SOIC в узком (0,150 дюйма=3,81 мм) и широком (0,300 дюйма=7,62 мм) исполнении; на кристаллоноситель PLCC с числом выводов от 28 до 84 и шагом 0,050 дюйма (1,27 мм).

В области субмикронной технологии имеются сообщения о появлении компонентов на гибких лентах с 300 и более выводами, и это свидетельствует в пользу того, что поверхностный монтаж займет ведущие позиции в технике корпусирования.

В настоящее время на рынке имеется довольно большой выбор компонентов и корпусов. По оценкам экспертов, каждый месяц появляется дюжина новых. Важно было бы оценить состояние техники корпусирования компонентов, методов их изготовления и применения, проблем стандартизации (и вероятного пути ее развития), дополнив описанием типов корпусов и выбора форм их поставки.

ОСНОВНЫЕ ГРУППЫ КОРПУСОВ

Приведем существующую классификацию корпусов.           

1. Простые корпуса для пассивных компонентов:

• безвыводные корпуса прямоугольной формы, например резисторов и конденсаторов;

• корпуса типа MELF (Metal Electrode Face Bonded — с вмонтированными электродами в виде металлизированных торцов.

2. Сложные корпуса для многовыводных полупроводниковых приборов:

• малогабаритный транзисторный корпус (Small Outline Transistor— SOT);

• малогабаритный корпус (Small Outline—SO) для интегральных схем;

• увеличенный малогабаритный корпус (Small Outline Large — SOL) для интегральных схем;

• пластмассовые кристаллоносители с выводами (Plastic Leaded Chip Carrier — PLCC);

• безвыводные керамические кристаллоносители (Leadless Ceramic Chip Carrier — LCCC);

• керамические кристаллоносители с выводами (Leaded Ceramic Chip Carrier — LDCC).

3. Различные нестандартные корпуса для компонентов неправильной формы, например индуктивностей и переключателей.

Существуют также другие типы конструкций корпусов, например корпус для интегральных схем с четырехсторонней разводкой выводов. Название корпус с четырехсторонней разводкой выводов является по существу общим термином, охватывающим любой корпус, в том числе с нестандартной величиной шага выводов, расположенных по всем четырем его сторонам.

ПРОСТЫЕ КОРПУСА

Безвыводной корпус прямоугольной формы. Безвыводные корпуса прямоугольной формы, или чипы, являются наиболее распространенным типом корпусов для поверхностного монтажа пассивных компонентов, например резисторов и конденсаторов. Они различаются стоимостью, габаритными размерами, рабочим напряжением (или рассеиваемой мощностью) к материалом диэлектрика (у чип-конденсаторов). Для указания геометрических размеров таких корпусов используется краткая форма обозначения, например 1206 означает, что компонент имеет длину 0,12 дюйма (3,048 мм) и ширину 0,06 дюйма (1,524 мм). Эти величины могут изменяться от изготовителя к изготовителю и должны контролироваться в случае использования однотипных компонентов разных изготовителей.

При монтаже прямоугольных чипов особое внимание следует уделять решению проблем их пайки на коммутационные платы. Очень важно выбрать правильную топологию контактных пло-щадок, которая зависит от метода пайки, т. е. применяется ли пайка волной либо пайка расплавлением дозированного припоя. Необходимо также учитывать в разработках материал выводных контактных площадок чипов, что нередко бывает связано с решением серьезных проблем, например для предотвращения выщелачивания серебра контактных площадок чипа в процессе пайки рекомендуется предварительно их покрывать никелем, выполняющим роль защитного барьера при пайке. Слои материалов на контактных площадках чипов в этом случае должны располагаться (начиная изнутри) в последовательности: серебро, никель, припой (например, олово—свинец 60/40; 63/37 или олово—палладий—серебро 62/36/2); следует отдавать предпочтение луженым контактам перед нелужеными.

Резисторы. Типоразмер 1206 является практически промышленным стандартом; применяются также корпуса больших и меньших размеров; в Японии в настоящее время в некоторых применениях используются корпуса типоразмеров 0805 и 1608. Вот типичные характеристики компонентов в этих корпусах:

• Номинальная рассеиваемая мощность от 0,125 до 0,25 Вт (в специальной аппаратуре) при 70°С (при 0°С данных нет).

• Номинальное напряжение 200 В (пост. ток).

• Допуск на номинал резистора, и температурный коэффициент сопротивления: 1% при 100х10^-6 град^-1 и 5% при 200х10^-6 град^-1.

• Стандартный диапазон сопротивлений от 10 Ом до 2,2 МОм.

Большая часть чип-резисторов изготовляется методами толстопленочной технологии, которая включает отжиг смесей оксидов металлов и керамики (или стекла), нанесенных на керамические подложки с применением, например, шелкографии. Аналогично изготавливаются контактные площадки резисторов. Тело резисторов нередко покрывается пассивирующим слоем стекла. После лазерной подгонки (для получения требуемой величины сопротивления) и покрытия эпоксидным составом подложки разрезаются на отдельные чип-резисторы. Некоторые компании производят для специальных применений чип-резисторы на основе тонких пленок никеля и хрома.

Рис. а — конструкция и габаритные размеры прямоугольных чипов; б — знакоместо резисторов и многослойных керамических конденсаторов для поверхностного монтажа в случае пайки методами расплавления дозированного припоя; в — знакоместо резисторов и многослойных керамических конденсаторов для поверхностного монтажа в случае пайки волной припоя.

Конденсаторы. Керамические многослойные конденсаторы (рис. 2.3) также производятся в корпусах типоразмера 1206, особенно для номиналов среднего диапазона емкости. Многие разработчики предпочитают типоразмеры 1206 и 1210. Получают также распространение конденсаторы типоразмеров 0805 и 1812.

Поскольку керамические материалы применяются уже давно, особенно для изготовления гибридных интегральных схем, соот­ветствующие технологические процессы хорошо отработаны. Они обеспечивают большой выигрыш в габаритах вследствие исполь­зования многослойной структуры, а изменением коммутации отдельных выводов конденсаторов можно получить в одной мик­росборке несколько параллельно соединенных между собой кон­денсаторов. Пользователи, однако, отмечают, что эти компонен­ты восприимчивы к тепловому удару; хорошим средством для повышения стойкости к термоудару является предварительный прогрев конденсатора перед его погружением в ванну с припоем со скоростью примерно 2°С в секунду. В идеальном случае пред­варительный прогрев должен повысить температуру тела конден­сатора до уровня, отличающегося от температуры припоя в ван­не не более чем на 100 °С.

Монолитная конструкция конденсатора обычно полностью по­крывается герметиком, а внутренняя структура представляет со­бой пакет чередующихся слоев материалов обкладок конденсатора (электродов) и диэлектрика. Слоистая структура увеличивает удельную объемную емкость чипа, но не оказывает значительного влияния на толщину компонента. Диэлектрические материалы, применяемые в конденсаторах в соответствии со стандартами на компоненты (например, стандарт EIA RS-198), подразделяются на два класса:

• Класс 1 (например, материал COG) обладает низкой диэлектрической проницаемостью, но хорошей температурной стабильностью. Типичные значения емкости компонентов, сделанных из этого материала, составляют 10 000 пФ (при рабочем напряжении 50 В) и 4700 пФ (при рабочем напряжении 100 В).

• Класс 2 (например, материал X7R) имеет более высокую диэлектрическую проницаемость, но меньшую температурную стабильность, чем предыдущий. Значения емкости достигают 0,47 мкФ, а с менее стабильным диэлектрическим материалом (например, 75U) можно получить и более высокие значения.

Существуют также оксидные электролитические конденсаторы для поверхностного монтажа (по крайней мере в некоторых конструктивных исполнениях) для внутрисхемных применений (например, в цепях развязки, блокировки в низковольтных цепях я др.) Типичные значения номинальной емкости этих чип-конденсаторов достигают нескольких микрофарад при рабочем напряжении порядка 50 В.

СЛОЖНЫЕ КОРПУСА

Транзисторный миникорпус. Транзисторный миникорпус SOT — Small Outline Transistor (рис. 2.6, 2.7) применяется для корпусирования дискретных полупроводниковых приборов. Имеется два стандартных корпуса, которые можно использовать для герметизации простых полупроводниковых приборов (т. е. одиночных биполярных и полевых транзисторов, диодов, стабилитронов и др.).

Рис. а — корпуса транзисторов типа SOT; б — знакоместо для транзистора в корпусе SOT-23; в — знакоместо для транзистора в корпусе SOT-143 в случае пайки расплавлением дозированного припоя; г —знакоместо для транзистора в корпусе SOT-89 в случае пайки волной припоя.

Это корпуса ТО-236 (называемые также SOT-23) и ТО-243 (называемые также SOT-89). Выбор типа корпуса зависит от мощности, рассеиваемой приборов, и реального размера полупроводникового кристалла. ТО-236 применяется для корпусирования кристаллов, имеющих площадь до 0,030 дюйм2 (19,35 мм2), с рассеиваемой мощностью 200 мВт при 25°С (в некоторых паспортах на изделие указывается до 350 мВт). Второй корпус, ТО-243, рассчитан на кристаллы площадью 0,060 дюйм2 (38,70 мм2), рассеивающие мощность до 500 мВт при 25°С (в некоторых паспортах указывается до 1 Вт).

Оба корпуса имеют очень простую конструкцию с тремя выводами: у ТО-236 выводы поочередно отходят от каждой из сторон корпуса, в то время как у ТО-243 они расположены по одну и ту же сторону корпуса, а центральный вывод имеет увеличенный размер для лучшего отвода тепла.

Важно отметить, что в разработке подобных корпусов для одиночных приборов прослеживается тенденция к повышению уровня рассеиваемой мощности, с тем чтобы в конечном счете можно было непосредственно помещать в такие корпуса для поверхностного монтажа мощные приборы, как, например, переключающие транзисторы и выпрямители, без каких-либо особых изменений конструкции платы с целью улучшения ее теплоотвода.

Интегральная схема в миникорпусе. Интегральная схема в миникорпусе [SO(IC)/SOL] напоминает уменьшенный вариант традиционного корпуса с двухрядным расположением ленточных выводов (типа DIP). Обычно миникорпуса поставляются в 8-, 14- и 16-выводном исполнении, при этом выводы имеют форму крыла чайки и расположены с шагом 0,050 дюйма (1,27 мм). Большим преимуществом этого хорошо освоенного корпуса являются улучшенные значения основных массогабаритных характеристик по сравнению с его аналогом DIP; он на 70% меньше по объему, на 30% меньше по высоте, а масса такого корпуса составляет всего лишь 10% массы его более крупного аналога, если сравнивать 14-выводные корпуса. Кроме того, миникорпус имеет лучшие электрические характеристики, определяющие скорость прохождения сигнала (что более подробно будет рассматриваться в данной главе позже). К тому же для переработки топологии обычной схемы на DIP- корпусах в вариант с использованием SOIC/SOL-корпусов нужно внести лишь небольшие изменения, т. к. разводка выводов одинакова, но общий размер платы может быть уменьшен.

В настоящее время в этом корпусе выпускается большинство типов интегральных схем как малой (МИС), так и средней (СИС) степени интеграции, включая стандартные промышленные аналоговые и цифровые схемы, выполненные по ТТЛ-технологии (стандартные, маломощные и сверхбыстродействующие ИС с диодами Шотки) и КМОП-технологии (стандартные и сверхбыстродействующие ИС).

Индуктивности. Если оценивать ситуацию корректно, применение индуктивностей, простых (одновитковых) или многовитковых, является наиболее проблематичным, потому что в настоящее время не существует никаких стандартов, способствующих совместимости их конструкций с техникой поверхностного монтажа. Этот недостаток становится существенным, потому что параметры индуктивности часто зависят от наличия и габаритов прочих компонентов, их формы и топологии. В настоящее время члены Ассоциации техники поверхностного монтажа в США подготавливают предложения по стандартизации габаритных и присоединительных размеров катушек индуктивности, которые предполагают сведение всех приборов к двум основным группам типоразмеров: корпус «А» (для индуктивностей 100 мкГн и менее) и корпус «В» (для индуктивностей 100—1000 мкГн).

Кроме того, несомненно, появятся еще какие-то варианты конструкций корпусов, рассчитанные на удовлетворение всех требований заказчиков. Существует два основных вида реализации индуктивностей: проволочные и тонкопленочные многослойные. Первые используются более широко и, как правило, более дешевые, вторые же более устойчивы к помехам и применяются в СВЧ-устройствах, где размер является критическим показателем.

В заказах на поставки индуктивностей для поверхностного монтажа нужно указывать следующие данные:

• значение индуктивности;

• разновидность индуктивности (постоянная или переменная);

• допустимую нагрузку по току;

• добротность;

• технологическую совместимость с процессами поверхностного монтажа (особенно с технологией пайки и очистки);

• направление намотки;

• конфигурацию выводного контакта;

• тип покрытия — герметизирующее или конформное, если та-ковое используется;

• допустимую степень электрического взаимодействия с сосед-ними компонентами (с другими индуктивностями или даже с коммутирующими дорожками и припойными площадками платы) посредством взаимоиндукции.

Переключатели. В то время как огромные усилия затрачиваются на разработку миниатюрных корпусов для активных и пассивных компонентов с целью полной реализации преимуществ ТПМК (например, эффективного использования несущей платы), зачастую, и в этом есть доля иронии, в конечном счете размер сборки определяется габаритами других более крупных компонентов, например переключателей и соединителей.

В настоящее время такие компоненты в исполнении, совместимом с техникой поверхностного монтажа, уже производятся. Тумблеры, разработанные для поверхностного монтажа, имеют герметичную конструкцию, рассчитанную на пайку волной и расплавлением дозированного припоя в паровой фазе, а также на очистку водой либо органическими растворителями. Они имеют пластмассовые полностью герметизированные корпуса. Значение номинального тока для таких тумблеров составляет примерно 1 А.

В сборках, выполненных с использованием ТПМК, часто требуются переключатели в корпусе DIP, например для коммутации шин или программирования режима работы схемы.

ВЫБОР КОРПУСА

Выбор размеров компонентов. Существует ряд факторов, которые влияют на выбор элементной базы для ТПМК. Если говорить о поставках, то целесообразно всегда иметь не менее двух поставщиков данного компонента. Что касается обозначения компонентов, например тип 1206, то здесь можно ошибиться при выборе нужного типоразмера, поскольку нередко из-за недостаточного уровня стандартизации в области ТПМК компоненты с одинаковым обозначением имеют различные размеры и/или функциональное назначение.

Важнейшими размерами при выборе компонентов являются следующие:

• Габаритные размеры (влияющие на топологию знакоместа компонента).

• Ширина вывода (влияющая на топологию знакоместа компонента).

• Допуск на шаг выводов [не должен превышать ±0,002 дюйма (±0,05 мм), в противном случае возможны перемычки припоя или неправильное совмещение].

• Допуск на совмещение вывода при посадке (позиционировании) компонента (должен быть меньше ±0,002 дюйма (±0,05 мм) от номинальной посадочной позиции для одного совмещения, с тем чтобы исключить возможность деградации качества паяного соединения).

• Величина зазора между компонентами и коммутационной платой (приемлемые значения обычно эмпирическим путем определяются пользователем). Зазор влияет на эффективность очистки платы после монтажа, что связано с возможностью проникновения растворителя под корпуса компонентов. Он также влияет на интенсивность отвода тепла от компонента к плате — уменьшение зазора может привести к ухудшению рассеивания тепла в зонах перегрева.

СТАНДАРТИЗАЦИЯ КОМПОНЕНТОВ

Как и при освоении традиционного монтажа, в ТПМК повторяется неблагоприятная ситуация, касающаяся стандартизации компонентов. Должная степень стандартизации имеющихся корпусов отсутствует, а между тем разнообразие их конструкций все увеличивается. В настоящее время трудно назвать какой-либо компонент, не имеющий разнообразия реализаций. Даже пассивные, самые простые компоненты (чип-резисторы и чип-конденсаторы) одного номинала выпускаются в разном исполнении. Более того, компонент типа 1206, содержащий в своем обозначении размерные данные, выпускается в нескольких вариантах, отличающихся габаритными размерами. В настоящее время по крайней мере три организации — JEDEC, SEMI и EIAJ40, на ряд компонентов выпустили несколько стандартов, не согласующихся между собой и это в дополнение к различным конструкциям изделий производителей компонентов по заказам.

Различия в конструкциях компонентов могут проявляться:

• в конструкции корпусов для одних и тех же чипов и, как следствие,—в способах теплоотвода и электрических характеристиках;

• в размерах корпусов и, как следствие,— в топологии знакомест;

• в размерах выводов и, как следствие,— в топологии знакомест;

• в несовпадении электрических параметров (например, номинальной мощности рассеяния у резистора, рабочего напряжения у конденсатора, шумовых характеристик);

• в исполнении выводных контактов (разные покровные материалы) и, как следствие,—в паяемости;

• в корпусном исполнении компонентов, производимых двумя изготовителями, и, как следствие, в требованиях к сборочно-монтажным операциям;

• в чувствительности корпусов к технологическим процессам монтажа (общие требования в этом случае можно сформулировать только для методов пайки расплавлением дозированного припоя);

• в материалах покрытия тела корпуса и, как следствие,— в возможных трудностях на этапе сборки, например при использовании использовании адгезивов в условиях отсутствия стандартизации маркировки компонентов в международном масштабе.

РЕМОНТ ИЗДЕЛИЙ

Паяльник (микропаяльник), обычно используемый для пайки, является довольно распространенным инструментом и для демонтажа традиционных компонентов с целью их замены при ремонте изделий. Такой паяльник применим также при замене простых поверхностно монтируемых компонентов, таких как чип-конденсаторы и чип-резисторы. Было сконструировано приспособление для пайки с захватами специальной формы, позволяющими произвести разогрев мест пайки поверхностно монтируемых компонентов, имеющих сложную конфигурацию выводов, как, например, компонентов в корпусе типа SO или PLCC. Это приспособление недорогое и может обеспечить надлежащее качество замены компонентов только в том случае, если оператор имеет опыт и внимателен при выполнении работы.

Демонтаж сложных компонентов поверхностного монтажа является прецизионной, требующей исключительной аккуратности выполнения, операцией из-за специфики корпусного исполнения таких компонентов и высокой плотности монтажа, которую они обеспечивают. Тепло, необходимое для отпайки компонента, может оказать воздействие на соседние чувствительные к нагреву компоненты и повредить саму коммутационную плату. Платы, используемые в ТПМК, проектируются с таким расчетом, чтобы коэффициент их теплового расширения был согласован с коэффициентом теплового расширения микросборки, поскольку вовремя пайки разогревается вся плата. Учет на стадии проектирования требований по обеспечению ремонтопригодности изделия, как правило, налагает определенные ограничения на процессы сборки и монтажа.

Конвекция становится доминирующим способом теплопередачи, используемым при демонтаже смонтированных на поверхности плат компонентов в корпусах сложной конфигурации. Обычное приспособление для демонтажа забракованных компонентов оснащено нагревательными капиллярами (для разогрева мест пайки) со сменными наконечниками, рассчитанными на различные формы и размеры компонентов. Капилляры с наконечниками сконструированы таким образом, что струя горячего газа (обычно воздуха) направляется на выводы компонента, а не на его тело. Удаление дефектного и установка на его место исправного компонента производится с помощью вакуумного присоса; в ряде случаев используется микроскоп, который обеспечивает контроль точности позиционирования устанавливаемого компонента. Типичная операция по исправлению брака на ремонтном участке может занять до 30 минут при замене сложного пластмассового кристаллоносителя с выводами и включает следующие этапы.

1. Подготовка платы к демонтажу компонента:

• очистка паяных соединений (удаление загрязнений и конформных покрытий с помощью растворителя или абразивного материала);

• снятие теплоотвода (если он имеется);

• защита соседних компонентов;

• покрытие флюсом концов выводов компонента, припаянных на контактных площадках платы, с целью обеспечения надежного расплавления припоя.

2. Разогрев паяных соединений:

• предварительный разогрев микросборки;

• разогрев выводов исключительно горячим газом (воздухом или азотом).

3. Снятие компонента со знакоместа с помощью вакуумного присоса (при этом нерасплавившийся адгезив может вызвать затруднения).

4. Очистка платы (удаление остатков флюса, загрязнений и излишков припоя).

5. Защита подготовленного знакоместа, если замена компонента откладывается.

6. Замена компонента:

• нанесение флюса на концы выводов компонента и места пайки с последующим их облуживанием;

• позиционирование компонента с помощью вакуумного присоса под наблюдением оператора;

•  оплавление припоя горячим газом;

• очистка платы после пайки с целью удаления продуктов разложения флюса.

Демонтаж компонентов можно производить с помощью инфракрасного либо лазерного излучений, однако эти способы в настоящее время не применяются.

Исправление брака в сущности сводится к повторному выполнению определенной части сборочно-монтажных операций, за исключением тех случаев, когда дешевые микросборки целесообразнее выбрасывать, нежели ремонтировать. При ремонте изделий необходим тщательный контроль и управление процессом устранения брака, чтобы исключить возможность повреждения (либо ухудшения электрофизических характеристик) годного (заменяющего бракованный) компонента, а также соседних компонентов и элементов коммутационной платы. Единственным надежным разрешением затруднений, связанных с ремонтом изделий в ТПМК, является обеспечение высокого качества процесса сборки и обязательный контроль процесса монтажа.

Познавательные статьи:



Техника прыжка в длину с разбега

Тактические действия в защите

История Олимпийских игр

История развития права интеллектуальной собственности