BGA и SMD монтаж
BGA и SMD монтаж
Ниже представлена блок схема одной из архитектур современного компьютера/ноутбука.
Как можно увидеть из схемы, весь компьютер состоит из нескольких основных центральных блоков (обведены красным): южный мост (ICH10),северный мост (P43), центральный процессор Intel и блок обработки графики (видеокарта). В «железе» эти блоки представляют собой большие, очень сложные интегральные микросхемы (ИС), с огромным количеством выводов.
 |  |  |
Установка такой микросхемы проходит в несколько этапов, микросхему располагают на печатной плате, согласно маркировке ответных контактных площадок на плате, далее зону установки микросхемы нагревают до температуры плавления припоя, силы поверхностного натяжения расплавленного припоя заставляют микросхему зафиксироваться четко над тем местом, где она должна находиться на плате.
Установленная ИС на плату:
Так выглядит ИС на плате в разрезе, видны шары припоя, на которых впаяна ИС и слои меди в плате:
C помощью оптических приборов, можно собственными глазами увидеть, как выглядят такие дефекты: недопай, холодные трещины.
Устранение такого дефекта пайки возможно при наличии соответствующего оборудования. Проходит в 3 этапа:
1) Демонтаж ИС на специальной инфракрасной или термовоздушной паяльной станции.
2) Нанесение новых шаров припоя, с помощью трафарета и оснастки, с последующим оплавлении в ИК печи.
3) Завершающий этап – установка ИС на плату.
Весь процесс называется реболл, реболлинг, после такой процедуры, как правило, причина неисправности устраняется и устройство вновь готово к эксплуатации. Однако, не всегда реболл по настоящему устраняет дефект, даже если устройство заработало вновь, эффект этот кратковременен. Происходит такое по причине того что дефект кроется не в монтаже, а внутри самого чипа, в таком случае, микросхему нужно только менять.
Почему чип нужно именно менять, подробно описано в следующей статье.
Что такое BGA-микросхемы?
Можно заметить, что разработчики практически всех электронных устройств идут по пути миниатюризации. Ноутбуки, планшеты или смартфоны становятся все легче и тоньше, но это совершенно не сказывается на их функциональности. Как такое возможно? Ответ прост: благодаря применению микросхем BGA.
BGA – что это такое?
Это аббревиатура. Полное название микросхем: Ball grid array, что в переводе означает «массив шариков». Главное их отличие – в типе корпуса: на контактных площадках с обратной стороны чипов расположены шарики из припоя. При нагревании они плавятся, облегчая центровку, а после застывания обеспечивают прочное крепление корпуса к плате.
Применение таких чипов сделало возможным более плотное расположение компонентов в электронных устройствах. Это и есть причина того, почему они становятся все меньше в размерах. С применением таких микросхем сейчас изготавливают видеорегистраторы, телефоны, телевизоры и другие электронные устройства.
Как выполняют пайку BGA
Для фиксации чипов на плате ее разогревают с помощью специальной паяльной станции. Шарики припоя начинают плавиться, но при этом не деформируются полностью (это обеспечивается технологией пайки). В результате формируется надежный контакт.
Какие есть виды BGA-микросхем
Такие чипы можно классифицировать по нескольким параметрам:
Плюсы и минусы BGA-микросхем
Из плюсов микросхем можно выделить:
Из минусов нужно отметить чувствительность таких чипов к ударам. Это объясняется малой длиной, а поэтому высокой жесткостью выводов. Кроме того, выводы чипов не гнутся, а значит плата, на которую их устанавливают, должна быть идеально ровной. К покрытию тоже предъявляются жесткие требования: для этого подходят олово, серебро или иммерсионное золото.
Заключение
Сейчас компактность считается одной из основных характеристик электронного устройства. Чипы BGA позволили сделать серьезный шаг на пути уменьшения размеров привычных нам гаджетов. Альтернативы им пока нет, но все может измениться в ближайшем будущем.
Оставьте свою электронную почту и получайте самые свежие статьи из нашего блога. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить
SMD компоненты
Мы уже познакомились с основными радиодеталями: резисторами, конденсаторами, диодами, транзисторами, микросхемами и т.п., а также изучили, как они монтируются на печатную плату. Ещё раз вспомним основные этапы этого процесса: выводы всех компонентов пропускают в отверстия, имеющиеся в печатной плате. После чего выводы обрезаются, и затем с обратной стороны платы производится пайка (см. рис.1).
Этот уже известный нам процесс называется DIP-монтаж. Такой монтаж очень удобен для начинающих радиолюбителей: компоненты крупные, паять их можно даже большим «советским» паяльником без помощи лупы или микроскопа. Именно поэтому все наборы Мастер Кит для самостоятельной пайки подразумевают DIP-монтаж.
Но DIP-монтаж имеет очень существенные недостатки:
— крупные радиодетали не подходят для создания современных миниатюрных электронных устройств;
— выводные радиодетали дороже в производстве;
— печатная плата для DIP-монтажа также обходится дороже из-за необходимости сверления множества отверстий;
— DIP-монтаж сложно автоматизировать: в большинстве случаях даже на крупных заводах по производству электронику установку и пайку DIP-деталей приходится выполнять вручную. Это очень дорого и долго.
Поэтому DIP-монтаж при производстве современной электроники практически не используется, и на смену ему пришёл так называемый SMD-процесс, являющийся стандартом сегодняшнего дня. Поэтому любой радиолюбитель должен иметь о нём хотя бы общее представление.
SMD монтаж
SMD компоненты (чип-компоненты) — это компоненты электронной схемы, нанесённые на печатную плату с использованием технологии монтирования на поверхность — SMT технологии (англ. surface mount technology).Т.е все электронные элементы, которые «закреплены» на плате таким способом, носят название SMD компонентов (англ. surface mounted device). Процесс монтажа и пайки чип-компонентов правильно называть SMT-процессом. Говорить «SMD-монтаж» не совсем корректно, но в России прижился именно такой вариант названия техпроцесса, поэтому и мы будем говорить так же.
На рис. 2. показан участок платы SMD-монтажа. Такая же плата, выполненная на DIP-элементах, будет иметь в несколько раз большие габариты.
SMD монтаж имеет неоспоримые преимущества:
— радиодетали дешёвы в производстве и могут быть сколь угодно миниатюрны;
— печатные платы также обходятся дешевле из-за отсутствия множественной сверловки;
— монтаж легко автоматизировать: установку и пайку компонентов производят специальные роботы. Также отсутствует такая технологическая операция, как обрезка выводов.
SMD-резисторы
Знакомство с чип-компонентами логичнее всего начать с резисторов, как с самых простых и массовых радиодеталей.
SMD-резистор по своим физическим свойствам аналогичен уже изученному нами «обычному», выводному варианту. Все его физические параметры (сопротивление, точность, мощность) точно такие же, только корпус другой. Это же правило относится и ко всем другим SMD-компонентам.
Рис. 3. ЧИП-резисторы
Типоразмеры SMD-резисторов
Мы уже знаем, что выводные резисторы имеют определённую сетку стандартных типоразмеров, зависящих от их мощности: 0,125W, 0,25W, 0,5W, 1W и т.п.
Стандартная сетка типоразмеров имеется и у чип-резисторов, только в этом случае типоразмер обозначается кодом из четырёх цифр: 0402, 0603, 0805, 1206 и т.п.
Основные типоразмеры резисторов и их технические характеристики приведены на рис.4.
Рис. 4 Основные типоразмеры и параметры чип-резисторов
Маркировка SMD-резисторов
Резисторы маркируются кодом на корпусе.
Если в коде три или четыре цифры, то последняя цифра означает количество нулей, На рис. 5. резистор с кодом «223» имеет такое сопротивление: 22 (и три нуля справа) Ом = 22000 Ом = 22 кОм. Резистор с кодом «8202» имеет сопротивление: 820 (и два нуля справа) Ом = 82000 Ом = 82 кОм.
В некоторых случаях маркировка цифробуквенная. Например, резистор с кодом 4R7 имеет сопротивление 4.7 Ом, а резистор с кодом 0R22 – 0.22 Ом (здесь буква R является знаком-разделителем).
Встречаются и резисторы нулевого сопротивления, или резисторы-перемычки. Часто они используются как предохранители.
Конечно, можно не запоминать систему кодового обозначения, а просто измерить сопротивление резистора мультиметром.
Рис. 5 Маркировка чип-резисторов
Керамические SMD-конденсаторы
Внешне SMD-конденсаторы очень похожи на резисторы (см. рис.6.). Есть только одна проблема: код ёмкости на них не нанесён, поэтому единственный способ ёё определения – измерение с помощью мультиметра, имеющего режим измерения ёмкости.
SMD-конденсаторы также выпускаются в стандартных типоразмерах, как правило, аналогичных типоразмерам резисторов (см. выше).
Рис. 6. Керамические SMD-конденсаторы
Электролитические SMS-конденсаторы
Рис.7. Электролитические SMS-конденсаторы
Эти конденсаторы похожи на своих выводных собратьев, и маркировка на них обычно явная: ёмкость и рабочее напряжение. Полоской на «шляпке» конденсатора маркируется его минусовой вывод.
SMD-транзисторы
Транзисторы мелкие, поэтому написать на них их полное наименование не получается. Ограничиваются кодовой маркировкой, причём какого-то международного стандарта обозначений нет. Например, код 1E может обозначать тип транзистора BC847A, а может – какого-нибудь другого. Но это обстоятельство абсолютно не беспокоит ни производителей, ни рядовых потребителей электроники. Сложности могут возникнуть только при ремонте. Определить тип транзистора, установленного на печатную плату, без документации производителя на эту плату иногда бывает очень сложно.
SMD-диоды и SMD-светодиоды
Фотографии некоторых диодов приведены на рисунке ниже:
Рис.9. SMD-диоды и SMD-светодиоды
На корпусе диода обязательно указывается полярность в виде полосы ближе к одному из краев. Обычно полосой маркируется вывод катода.
SMD-cветодиод тоже имеет полярность, которая обозначается либо точкой вблизи одного из выводов, либо ещё каким-то образом (подробно об этом можно узнать в документации производителя компонента).
Определить тип SMD-диода или светодиода, как и в случае с транзистором, сложно: на корпусе диода выштамповывается малоинформативный код, а на корпусе светодиода чаще всего вообще нет никаких меток, кроме метки полярности. Разработчики и производители современной электроники мало заботятся о её ремонтопригодности. Подразумевается, что ремонтировать печатную плату будет сервисный инженер, имеющий полную документацию на конкретное изделие. В такой документации чётко описано, на каком месте печатной платы установлен тот или иной компонент.
Установка и пайка SMD-компонентов
SMD-монтаж оптимизирован в первую очередь для автоматической сборки специальными промышленными роботами. Но любительские радиолюбительские конструкции также вполне могут выполняться на чип-компонентах: при достаточной аккуратности и внимательности паять детали размером с рисовое зёрнышко можно самым обычным паяльником, нужно знать только некоторые тонкости.
Но это тема для отдельного большого урока, поэтому подробнее об автоматическом и ручном SMD-монтаже будет рассказано отдельно.
Компоненты для поверхностного монтажа печатных плат
Промышленность выпускает широкий спектр компонентов для поверхностного монтажа печатных плат (smd компонентов). Формы, размеры и материалы, smd компонентов, постоянно меняются, поставщики предлагают все новые модели, чтобы удовлетворить требованиям миниатюризации, функциональности и надежности. Чаще всего поверхностный smd монтаж используется для пассивных устройств или «чипов» (кристаллов) — резисторов, конденсаторов, индуктивностей и дросселей. Чип-конденсаторы и резисторы часто имеют четырехзначный код маркировки в котором зашифрован типоразмер smd компонента, например, 1825, 1210 или 0804. Первые две цифры обозначают длину компонента, которой является расстояние между выводами (контактами) в сотых долях дюйма. Две вторые цифры относятся к ширине smd компонента также в сотых долях дюйма (для пассивных устройств существует аналогичная кодовая маркировка, основанная на метрической системе [мм], фактические значения очень близки к английским значения и могут быть источником путаницы, особенно при сотрудничестве с зарубежными компаниями). Таким образом, конденсатор типоразмера 1825 имеет длину 0,18 дюйма (4,6 мм) и ширину 0,25 дюйма (6,3 мм). На рисунке 1 представлена фотография пассивных чип-резисторов, различных типоразмеров. Чип-резисторы, как правило, очень надежны и, следовательно, относительно защищены от повреждений во время сборки по технологии поверхностного монтажа. Многослойные smd конденсаторы чувствительны к температуре и, следовательно, более склонны к образованию трещин при автоматическом монтаже, особенно в условиях быстрой смены температур.
Рисунок 1 – Чип-резисторы различных типоразмеров
Чип-резистор имеет алюмокерамическое основание, на который нанесена тонкая пленка резистивного элемента. Поверх резистивного элемента на его концах и частично в нижней части расположены проводящие элементы, которые и припаиваются к печатной плате. Проводящие элементы состоят из термостойкой толстой пленки на основе Ag, никелевого или медного барьерного слоя и гальванически нанесенного покрытия из Sn, Sn-Pb или Au.
Чип-конденсаторы изготавливают из специальной оксидной керамики, в них чередуются слои керамики и тонкие слои пленки, что обеспечивает определенное значение емкости устройства. Это конденсатор многослойного тонкопленочного (MLTF) типа. Второй тип конденсаторов имеет электроды на верхней и нижней поверхностях однородного «блока» из керамики. Керамика, используемая для изготовления чип-конденсаторов более хрупкая, чем алюминиевая металлокерамика чип-резисторов. Слоистая конструкция MLTF-конденсаторов делает их более чувствительными к механическим и тепловым ударам. В чип-конденсаторах используются аналогичные металлические проводящие слои, которые припаиваются к печатной плате, как было описано ранее для резисторов. Пример керамических чип-конденсаторов приведен на рисунке 2.
Рисунок 2 – Керамические чип-конденсаторы
Чип-индуктивности выпускают двух типов. Индуктивности для smd монтажа состоят из тонкой медной проволоки, намотанной на сердечник из оксида алюминия. Размеры сердечника и число обмоток определяют величину индуктивности. Вторым видом являются тонкопленочные smd индуктивности. В них на сердечнике из оксида алюминия размещена обмотка из проводящей пленки (несмотря на значительно более простое изготовление тонкопленочных smd индуктивностей, они имеют ограниченный диапазон значений). Пример керамических чип-индуктивностей приведен на рисунке 3.
Рисунок 3 – Примеры чип-индуктивностей
Примерно 40 % поверхностно-монтируемых (smd) пассивных компонентов изделия составляют чип-конденсаторы. Их миниатюризация имеет решающее значение для уменьшения размера и массы электронного изделия. Для портативной электроники (например, мобильных телефонов, КПК и пейджеров) обычно используются smd конденсаторы типоразмером от 0603 до 0402 и 0201.
Некоторые диоды и все активные устройства поставляются в различных корпусах с периферическими и матричными выводами. Диоды и транзисторы, как правило, имеют SO-корпуса: соответственно SOD-корпуса для диодов и SOT-корпуса для транзисторов. Корпус (package) изготавливают из термостойкого пластика. У SOD-package два вывода, у SOT-package соответственно три. Ножки элементов сделаны из прочных медных или железных сплавов и имеют форму «крыла чайки». Для больших активных устройств требуется больше ножек. Эти элементы имеют SOIC-корпуса с выводами малой длины в виде крыла чайки, которые выступают с обеих сторон длинной стороны smd элемента.
Выводы типа «крыло чайки» очень прочны и расположены с шагом 1,27 мм (50 mil), или 0,635 мм (20 mil). Шагом называется расстояние между центральными осями двух соседних выводов.
Дальнейшее увеличение количества ножек реализовано путем их размещения по всем четырем сторонам smd корпуса. Ножки сделаны в форме крыла чайки или имеют J-образную форму. J-конфигурация снижает площадь контактной площадки благодаря изгибу вывода внутрь, под smd корпус. Как и выводы типа «крыло чайки», J-образные выводы очень прочны и расположены с шагом 1,27 мм (50 mil) и 0,635 мм (20 mil).
Элементы для поверхностного монтажа шагом меньше 0,635 мм, начиная с 0,5 мм и 0,4 мм, называются smd компонентами с мелким шагом выводов. Мелкие ножки у surface mounted devices соответственно более хрупкие, поэтому они легко повреждаются во время обработки и монтажа по PIP-технологии. Кроме того, к компланарности выводов smd корпусов с мелким шагом предъявляются более строгие требования. Компланарными называются выводы элементов для поверхностного монтажа, монтируемых по surface-mount technology, нижние стороны которых на выходе из корпуса лежат в одной плоскости. Если ножки некомпланарные, например, одна расположен выше общей плоскости, то она, вероятнее всего, окажется не припаянной из-за малого количество паяльной пасты, используемой для пайки таких мелких выводов. Если же ножка smd компонента окажется слишком низко, то она будет повреждена во время установки компонента. Кроме того, она может стереть точку пасты, что приведет к некачественному соединению или короткому замыканию с соседним выводом после поверхностного монтажа.
Второй тип компоновки микросхем для поверхностного монтажа с периферическими выводами – это безвыводной керамический кристаллодержатель (LCCC ). Эта компоновка подразумевает наличие керамических материалов; а ножки элемента по форме напоминают зубцы, они расположены на всех четырех сторонах корпуса. Ножки smd компонентов покрыты никелевым слоем, поверх которого нанесен слой золота, именно он и подвергается пайке. Никелевый и золотой слои нанесены и снизу (на основание ножки). LCCC микросхемы можно устанавливать только на подложку с таким же или более низким температурным коэффициентом линейного расширения, т.е. температурные коэффициенты линейного расширения подложки печатной платы и керамического кристаллодержателя должны быть примерно равны. В противном случае паянные соединения элементов поверхностного монтажа быстро разрушатся под действием термомеханической усталости в условиях даже незначительных циклических колебаний температуры.
Корпуса с матричными выводами — это BGA, CSP, LGA, DCA/FC (пример BGA микросхемы для поверхностного монтажа приведен на рисунке 4), а также керамические корпуса с тугоплавкими столбиковыми выводами (CCGA). Общей характеристикой этих элементов является то, что пайке подвергаются ряды шариков припоя с нижней стороны корпуса, а не периферические выводы или зубцы. Разница между BGA- и CSP-корпусами в том, что у последних размеры компаунда для опрессовывания должны быть в 1,2 раза меньше соответствующих размеров кристалла. На размеры BGA-корпусов никакие ограничения не накладываются.
Рисунок 4 – Пример микросхемы в BGA-корпусе
Типичный размер шага составляет 1,27 мм и 1,0 мм для BGA- и CSP-корпусов, соответственно. Здесь шагом называется расстояние между центральными осями любых двух шариков или контактных площадок. Таким образом, требования к точности совмещения для матричных корпусов с применением технологии поверхностного монтажа не являются очень строгими. Кроме того, при пайке smd элементов расплавляется достаточное количество припоя, чтобы под действием силы поверхностного натяжения припоя обеспечить самостоятельное совмещение корпуса компонента и контактной площадки печатной платы. Однако, когда количество шариков достигает нескольких тысяч, необходимо уменьшать как размер шариков, так и шаг между ними, что в свою очередь приводит к уменьшению допусков на установку компонентов. Такая же картина наблюдается и в случае DCA-корпусов, в которых размер шариков припоя и шаг между ними, как правило, равны соответственно 0,10 мм и 0,25 мм.
Микросхемы с CCGA-компоновкой являются вариантом BGA, в которых шарики припоя были заменены столбиками из припоя. Столбики позволяют устанавливать керамический корпус на печатную плату из органических слоистых материалов со значительным температурным коэффициентом линейного расширения, поскольку они способны уменьшить высокие напряжения, создаваемые в результате различных величин теплового расширения двух материалов. Столбики изготавливают из тугоплавких свинцовых сплавов (на-пример, 95 % РЬ и 5 % Sn или 90 %РЬ и 10 % Sn), которые не плавятся при пайке эвтектическими оловянно-свинцовыми припоями. На столбики иногда наматывают медную проволоку, чтобы увеличить их надежность, поскольку обнаженные столбики подвержены повреждениям во время обработки и установки на печатную плату.
Ускоренное развитие технологии поверхностного монтажа (SMT-технологии) компонентов вызвало необходимость создания нестандартных корпусов и конфигураций выводов smd компонентов, что привело к разработке устройств сложной формы. Примерами компонентов сложной формы являются поверхностно-монтируемые переключатели и разъемы, а также множество типов индуктивностей (рисунок 2), светодиодов и трансформаторов. Как правило, так называемые поверхностно-монтируемые разъемы фактически могут быть установлены по смешанной технологии, частично в сквозные отверстия, обеспечивая механическую прочность, необходимую для установки и удаления кабеля, а их поверхностно-монтируемые выводы обеспечивают электрическое соединение (при монтаже в отверстия межсоединения получают путем PIP-технологии или ручной пайки).
С поверхностным монтажом smd компонентов сложной формы связано множество проблем. Во-первых, необходимо предусмотреть точные размеры контактных площадок на печатной плате. Кроме того, нужны соответствующие размеры апертур на трафарете, чтобы обеспечить правильное количество паяльной пасты при печати. Для обработки таких компонентов может потребоваться специальная настройка инструментов автоматического установщика поверхностно монтируемых изделий. И, наконец, smd компоненты сложной формы, как правило, больше и тяжелее. Поэтому вполне возможно, что они не будут самостоятельно совмещаться с контактными площадками платы во время пайки оплавлением.
Переход на бессвинцовые припои оказал существенное влияние на характеристики поверхностно-монтируемых изделий. Для соответствия бессвинцовой технологии пассивных устройств и элементов с периферическими выводами традиционное гальваническое оловянно-свинцовое покрытие было заменено покрытием из чистого олова. Использование оловянных покрытий создает проблемы оловянных усов, которые потенциально способны вызвать короткие замыкания в процессе эксплуатации индуктивностей. Оловянно-свинцовые сплавы в шариках припоя BGA-, CSP- и DCA-корпусов, имеющие температуру плавления 183 °С, заменяются сплавами Sn-Ag-Cu с температурой плавления 217 °С. В случае DCA/FC- и CCGA-корпусов для изготовления шариков и столбиков припоя используются сплавы с высоким содержанием РЬ, которые не расплавляются во время smd пайки припоями Sn-Ag-Cu, используемыми для получения межсоединений второго уровня.
