ep 04 064-070 obudowy cz1, Elektronika-inne, Lutowanie SMD
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
NOTATNIK PRAKTYKA
Montaż elementów SMD,
część 1
Biorąc pod lupę współczesne,
seryjne urządzenie elektroniczne
stwierdzimy, że coraz trudniej
doszukać się w nim tradycyjnych
podzespołów przewlekanych.
Dominacji techniki montażu
powierzchniowego (SMT – Surface
Mount Technology) opiera
się jedynie część elementów
dużej mocy, a także nieliczne
podzespoły o znacznych
gabarytach (duże kondensatory
elektrolityczne) lub obciążające
płytkę mechanicznie (złącza,
przełączniki).
O korzyściach płynących z za-
stosowania montażu powierzchnio-
wego pisano wiele razy i chyba nie
trzeba nikogo do nich przekonywać.
W porównaniu z tradycyjnym mon-
tażem przewlekanym (TH –
Thro-
ugh Hole
) układy powierzchniowe
charakteryzują się znacznie większą
gęstością upakowania, wyższą mak-
symalną częstotliwością pracy, a
także lepszą odpornością na wibra-
cje. Montaż powierzchniowy w ca-
łości poddaje się automatyzacji, co
oprócz obniżenia kosztów produkcji
korzystnie wpływa również na nie-
zawodność finalnego produktu.
Spojrzenie na projekty publiko-
wane w EP, zarówno te pochodzące
z pracowni zespołu redakcyjnego,
jak i nadsyłane przez czytelników,
prowadzi jednak do wniosku, że
technologia montażu powierzchnio-
wego bardzo opornie toruje sobie
drogę w świadomości rodzimych
konstruktorów. Niestety dotyczy to
również urządzeń opracowywanych
przez wiele małych, krajowych firm
elektronicznych. Można sobie zadać
zatem pytanie co skłania wielu pro-
jektantów do upartego trwania przy
setkach otworów, nieśmiertelnych
DIP–ach, tranzystorach TO–92 i dłu-
gonogich rezystorach? Tym bardziej,
że oferta i relacje cen nie tylko
skłaniają, ale coraz częściej wręcz
wymuszają korzystanie z technologii
SMT. Także lista firm oferujących
usługi montażu kontraktowego jest
na tyle obszerna, że ulokowanie
zlecenia na wykonanie nawet nie-
wielkiej serii płytek nie powinno
stanowić obecnie istotnego proble-
mu. Sądzę, że faktyczne przyczyny
kryją się już we wcześniejszych
etapach – począwszy od projekto-
wania przez montaż i uruchamia-
nie prototypu aż do przygotowania
dokumentacji. Wydaje się, że wy-
stępuje tutaj pewna bariera psycho-
logiczna, oparta z jednej strony na
trudności jaką sprawia poruszanie
się w gąszczu nowych oznaczeń a
z drugiej na przeświadczeniu o ko-
nieczności posiadania kosztownych
narzędzi i szczególnych umiejętno-
ści praktycznych. Chciałbym, żeby
ten artykuł, dostarczając niezbędnej
wiedzy praktycznej przyczynił się
do zniwelowania istniejącej bariery.
Trzeba jednak zdać sobie sprawę,
że nośność czasopisma, jak rów-
nież zasób wiedzy autora są bardzo
skromne w porównaniu z rozległo-
ścią tematu. Dlatego na wstępie
musimy przyjąć pewne założenia
precyzujące obszar zainteresowań.
Niniejszy tekst kieruję przede
wszystkim do praktyków zajmują-
cych się projektowaniem, urucha-
mianiem prototypów i ew. produkcją
jednostkowych urządzeń. Zarówno w
działalności hobbystycznej, jak i za-
wodowej, ale prowadzonej w realiach
typowych dla małej, często jedno-
osobowej firmy, mamy do czynienia
z podobnymi, w pewnym sensie
sprzecznymi uwarunkowaniami:
– Marzeniem każdego projektanta
jest możliwość swobodnego ko-
rzystania z jak najszerszej gamy
układów – również dzięki ła-
twości montażu. Rosnący odse-
tek układów scalonych produ-
kowanych wyłącznie w wersjach
SMD potrafi jednak tę swobodę
poważnie ograniczyć.
– Jednostkowa skala produkcji wy-
klucza zlecenie montażu u ze-
wnętrznego usługodawcy lub
niewspółmiernie podnosi koszty
takiego zlecenia.
– Konstruktor ma do dyspozycji
zazwyczaj bardzo ograniczone
zasoby warsztatowe, co wynika
zarówno ze skromnego budżetu,
jak i z niewielkiego wykorzy-
stania sprzętu. Trudno bowiem
uzasadnić zakup np. pieca do
lutowania rozpływowego w sytu-
acji, gdyby miał on posłużyć do
zmontowania zaledwie kilku lub
kilkunastu płytek miesięcznie.
– Uruchamianie prototypów zazwy-
czaj wiąże się z potrzebą prze-
róbek w układzie lub wymiany
uszkodzonych elementów – wła-
snymi siłami lub z pomocą za-
kładu usługowego. Pół biedy gdy
64
Elektronika Praktyczna 4/2005
NOTATNIK PRAKTYKA
odpowiedni zakład znajduje się
w pobliżu. Jednak już odległość
kilkudziesięciu km lub koniecz-
ność wysyłki mogą postawić pod
znakiem zapytania sens całego
projektu. Dlatego najlepiej, żeby
takie zmiany dawało się wyko-
nać
ad hoc
bez potrzeby wsta-
wania od stołu warsztatowego.
– Montaż ręczny charakteryzuje się
zmiennością parametrów i nie-
stety nie jest wolny od błędów.
Szczególnie w przypadku podze-
społów SMD mogą to być błędy
niewidoczne gołym okiem, ale
istotnie wpływające na jakość
połączeń. Jednak od prototypów
oczekuje się zazwyczaj mniejszej
niezawodności i krótszego cza-
su użytkowania niż w przypad-
ku wyrobów finalnych. Z kolei
tryb w jakim powstają urządze-
nia jednostkowe stwarza okazję
do dokładnej oceny poprawności
montażu i solidnego przetestowa-
nia, co w konsekwencji również
zmniejsza ryzyko pozostawienia
niewykrytego uszkodzenia.
Biorąc pod uwagę wymienione
warunki zakładam, że skoncentruje-
my się przede wszystkim na ręcz-
nym montażu i demontażu układów
SMD jaki można przeprowadzić w
warsztacie, potencjalnie dostępnym
dla zaawansowanego amatora lub
małej firmy. Zastanowimy się tak-
że jakie koszty trzeba ponieść, żeby
móc sięgnąć po konkretne typy
obudów. Pamiętajmy jednak, że cały
czas mówimy o montażu jednostko-
wym i to przede wszystkim ukła-
dów prototypowych, a więc godzi-
my się z większą pracochłonnością
i ograniczonym zaufaniem do osią-
ganych rezultatów.
Drugie z koniecznych założeń
polega na określeniu zakresu obu-
dów SMD leżących w zasięgu moż-
liwości amatora (podobnie jak w
przypadku domowych metod wy-
twarzania PCB, pisząc o amatorach,
mam na myśli osoby pozbawione
profesjonalnego zaplecza warsztato-
wego, co jednak w żaden sposób
nie determinuje wagi i złożoności
realizowanych projektów). Przyj-
mijmy, że będziemy zajmować się
wyłącznie podzespołami, których
wyprowadzenia po zamontowa-
niu układu są widoczne i dają się
obejrzeć gołym okiem. Założenie to
automatycznie wyklucza z obszaru
naszych zainteresowań licznie re-
prezentowaną rodzinę „kulkowych”
układów BGA (
Ball Grid Array
),
obudowy „beznóżkowe” (oznacza-
nie m.in. jako: QFN –
Quad Flat
No–leads
, MLP –
Micro Leadless
Package
, LLC –
Leadless Leadframe
Chip package
), a także pozostałe
skrajnie zminiaturyzowane obudowy
zaliczane do klasy CSP (
Chip Scale
Package
). Pominiemy również obu-
dowy typowe dla zastosowań spe-
cjalnych (militarnych, kosmicznych
itp.), nieosiągalne dla zwykłego
śmiertelnika. Mogłoby się wydawać,
że tracimy w ten sposób z pola
widzenia niemal całą awangardę
współczesnej elektroniki. W obsza-
rze naszych zainteresowań, oprócz
typowej „drobnicy” pozostaje jednak
szeroka gama układów scalonych
umieszczonych w obudowach z ro-
dzin SOP i QFP. Pomijając chipy o
bardzo dużej liczbie wyprowadzeń,
znaczna część układów scalonych
montowanych w obudowach klasy
BGA ma również swoje klasyczne,
„nóżkowe” odpowiedniki.
Osoby zainteresowane sięgnię-
ciem do montażu powierzchnio-
wego, szukając pomocy na forach
internetowych, zadają zazwyczaj
podobnie brzmiące pytania: „Chcę
przymierzyć się do montażu SMD.
Jaką stację lutowniczą powinienem
kupić? Jakie układy będę mógł nią
montować?”. Znamiennym wydaje
się fakt, że niemal zawsze dysku-
sja toczy się wokół marek, cen i
jakości lutownic, natomiast rzad-
ko zahacza o równie istotne ak-
cesoria pomocnicze. Tymczasem
właśnie te lekceważone drobiazgi
mogą w praktyce zadecydować o
wykonalności operacji. Biorąc pod
uwagę poczynione wcześniej zało-
żenia, jestem skłonny twierdzić, że
po nabyciu wprawy, w większości
przypadków wystarczy posłużyć się
jakąkolwiek, średniej mocy lutowni-
cą z odpowiednio ukształtowanym,
uziemionym grotem. Natomiast nie-
doceniane dodatki, takie jak np.
zestaw pęset, dobrej jakości lupa, a
przede wszystkim odpowiedni top-
nik mogą zadecydować o powodze-
niu montażu w ogóle.
Zanim usiądziemy do stołu
montażowego, zaczniemy jednak
omówienia podstawowej systematyki
i przeglądu najczęściej używanych
obudów SMD. Praktyczna znajo-
mość rodzajów obudów i stosowa-
nych oznaczeń odda nieocenione
usługi, przede wszystkim:
– Przy przeglądaniu list katalogo-
wych i cenników dystrybutorów.
Ten sam typ układu scalonego
występuje najczęściej w kilku
wersjach różniących się literowym
sufiksem i reprezentującym różne
wykonania. Umiejętność wyobra-
żenia sobie wyglądu elementu na
podstawie symbolicznego oznacze-
nia ułatwia dokonanie szybkiego
wyboru właściwej wersji.
– Podczas projektowania płytki dru-
kowanej. Znajomość logiki tkwiącej
w oznaczeniach przyspieszy do-
branie pasującego, lub najbardziej
zbliżonego elementu z biblioteki
CAD–a używanego do projektowa-
nia płytek drukowanych.
Pojęcie „systematyka” sugeruje,
że mamy do czynienia z bytem
uporządkowanym i poddającym się
logicznemu opisowi. I rzeczywiście
– zdecydowana większość stoso-
wanych obudów ma rejestrację za-
twierdzoną, przez jedną z instytucji
standaryzacyjnych np. JEDEC (
Joint
Electron Device Engineering Coun-
cil
) lub JEITA
(Japan Electronics
and Information Technology Indus-
tries Association
). Wiele z funkcjo-
nujących w powszechnej świadomo-
ści oznaczeń, takich jak TO–92 lub
TO–220 to w istocie identyfikatory
opublikowanych przez JEDEC do-
kumentów zawierających dokładne
rysunki wymiarowe. Niestety, mimo
istnienia standardów, każda z firm
promuje przede wszystkim oznacze-
nia własne – zwłaszcza gdy jest au-
torem danej konstrukcji. Dlatego bę-
dziemy musieli się przyzwyczaić do
tego, że identyczny (lub zbliżony z
punktu widzenia projektu PCB) typ
obudowy może mieć kilka równo-
ważnych nazw. Lub wręcz przeciw-
nie – do tego, że między obudowa-
mi różnych producentów, noszącymi
podobne oznaczenia firmowe, wy-
stępują subtelne, lecz istotne różni-
ce. Na domiar złego, liczba wersji
obudów SMD znajdujących się w
czynnym użyciu, jest zdecydowanie
większa niż miało to miejsce w
technice tradycyjnej. Z tego punk-
tu widzenia, szczególnej wartości
nabierają końcowe – często lekce-
ważone – strony kart katalogowych
zawierające rysunki wymiarowe, a
także równoważne oznaczenia obu-
dów nadane przez instytucje standa-
ryzacyjne. Znajomość standardowego
symbolu zdecydowanie ułatwia szu-
Elektronika Praktyczna 4/2005
65
NOTATNIK PRAKTYKA
sygnału zerującego, natomiast w ich
5 i 6–nóżkowych wersjach – wzmac-
niacze operacyjne, pojedyncze bram-
ki logiczne, a nawet mikrokontrolery
(Microchip PIC10 w SOT–26). Jedno-
cześnie dyskretne tranzystory MOS-
FET małej mocy bywają umieszcza-
ne w „scalonych” obudowach SO–8,
wykorzystując do tego samego celu
po kilka zwartych nóżek.
Istniejące obecnie podziały w
konstrukcji obudów SMD mają
swoje źródła pochodzące jeszcze
z okresu montażu przewlekanego.
Tendencji do powiększania licz-
by wyprowadzeń przez dodawanie
kolejnych par do standardowych,
dwurzędowych obudów DIP stanę-
ło na drodze nadmierne wydłużanie
ścieżek sygnałowych, a także niewy-
starczająca mechaniczna sztywność
smukłej konstrukcji. W praktyce za-
trzymano się na rozmiarze DIP40 a
jedynie nieliczne firmy stosowały
obudowy DIP64 o standardowym ra-
strze 0,100” (2,54
mm) i nieporęcz-
nych gabarytach lub
shrink
–DIP64
o rastrze zawężonym do 0,070”
(1,778
mm). Dalsze działania kon-
struktorów zostały zatem skierowa-
ne w dwóch kierunkach:
– powrocie do kształtu zbliżone-
go do kwadratu i umieszcze-
niu wyprowadzeń na wszystkich
czterech bokach. Z tego kierun-
ku wywodzą się m.in. obudowy
PLCC, które pozwoliły na uloko-
wanie w rastrze 1,27
mm (0,05”)
max. 84 wyprowadzeń.
– rezygnacji z układu rzędowego
(
In–line
) na rzecz matrycy wy-
prowadzeń (
Grid Array
). Przy-
kładem mogą tu być np. kilku-
setnóżkowe obudowy PGA (
Pin
Grid Array
) znane m.in. z wielu
serii procesorów PC – począw-
szy od rodziny 486 (
fot. 1
).
Zmiana techniki montażu a w
konsekwencji wzrost upakowania
nie przeszkodziły jednak utrwaleniu
istniejącego podziału na trzy zasad-
nicze klasy:
– obudowy dwurzędowe wywodzą-
ce się w prostej linii z rodziny
DIP, a noszące w technologii
SMT nazwy zawierające wspól-
ny rdzeń SO (
Small Outline
).
Początkowo były to bliźniacze
względem DIP obudowy SOIC
(SO–xx) a następnie stopniowo
zagęszczane i spłaszczane obu-
dowy z rodziny SOP (
Small
Outline Package
) oznaczane
Fot. 2. Wyprowadzenie typu
gull-
-wing
(fragment obudowy SOP)
Fot. 1. Obudowa PGA (Pin Grid
Array
m.in. PSOP (
Plastic...
), SSOP
(
Shrink...
), TSOP (
Thin...
), VSOP
(
Very Thin...
).
– płaskie obudowy prostokątne
(najczęściej kwadratowe) z wy-
prowadzeniami rozmieszczonymi
na czterech bokach i zawiera-
jące w oznaczeniach literę Q
(
Quad
). Wśród nich najliczniej
reprezentowane są obudowy z
rodziny QFP (
Quad Flat Pack
)
takie jak np. PQFP, TQFP, VQFP
wyposażone w płaskie nóżki,
wystające poza obrys korpusu i
uformowane w kształcie przy-
pominającym skrzydło mewy
(stąd też pochodzi ich ang. na-
zwa
gull–wings
fot. 2
). Obecnie
położono nacisk na rozwój sil-
nie zminiaturyzowanych obudów
„beznóżkowych” posiadających
płaskie wyprowadzenia ukryte
kanie i uzgadnianie odpowiedników.
Dużą pomocą w rozstrzyganiu ew.
wątpliwości służy portal organizacji
JEDEC (
www.jedec.org
) udostępnia-
jący, po bezpłatnej rejestracji, elek-
troniczne wersje wszystkich opubli-
kowanych dokumentów. Szczególnie
godna uwagi jest publikacja JEP–95
„JEDEC registered and standard
outlines for solid state and related
products” (
load/pub95/default.cfm
) – zawierają-
ca usystematyzowane dane obudów
większości obecnych na rynku pod-
zespołów półprzewodnikowych. Roz-
poczynając korzystanie z zasobów
JEDEC warto zapoznać się z przy-
jętą konwencją oznaczeń. Znając
np. symbol DO–213AC (miniMELF)
należy szukać dokumentu o nazwie
DO–213 a następnie, w jego treści,
szczegółowych danych wariantu AC
danej obudowy.
Bezpowrotnie minęły czasy, gdy
pojęcie „układ scalony” budziło au-
tomatyczne skojarzenie z obudo-
wą DIP. Aktualna rozpiętość liczby
wyprowadzeń, mieszcząca się w
przedziale od dwóch do grubo po-
nad tysiąca powoduje, że nie da
się sprowadzić tej grupy obudów
do wspólnego mianownika. Zatarciu
uległa granica pomiędzy obudowami
tranzystorów i niewielkich układów
scalonych. W typowo „tranzysto-
rowych” obudowach SOT–23 i po-
krewnych umieszcza się m.in. źródła
referencyjne lub scalone generatory
0,5 mm
Fot. 3. Obudowa QFN (Quad Flat
Noleads) - przerzutnik 74AUC74
66
Elektronika Praktyczna 4/2005
NOTATNIK PRAKTYKA
Elektronika Praktyczna 4/2005
67
NOTATNIK PRAKTYKA
Fot. 4. Obudowa BGA (Ball Grid
Array)
liczbie wyprowadzeń upakowanych
na malejącej powierzchni, powodu-
je wprowadzanie na rynek trudnej
do ogarnięcia liczby nowych opra-
cowań. Każdy z producentów wyka-
zuje przy tym zrozumiałą skłonność
do podkreślania własnych osiągnięć,
m.in. za pomocą stosowania odręb-
nych nazw, często mających status
zarejestrowanych znaków towaro-
wych. Jeśli uwzględnimy fakt, że
w każdej z rodzin obudów możliwe
są dodatkowo specjalne wykonania
służące poprawie skuteczności od-
prowadzania ciepła, różne sposoby
montażu struktury (standardowy
– podłożem do dołu, lub odwró-
cony
Flip Chip
), weźmiemy pod
uwagę nowo wprowadzane wyko-
nania bezołowiowe, to stwierdzimy,
że liczba stosowanych wersji sięga
setek a po uwzględnieniu odmian
wymiarowych i rozbieżności pomię-
dzy systemami oznaczeń różnych
producentów uzyskuje się ogromną
liczbę kombinacji wyrażaną wręcz
w tysiącach.
Nadmiernej anarchizacji w tej
dziedzinie ma zapobiegać wprowa-
dzenie przez JEDEC standardu JES-
D30 ustalającego jednolite zasady
tworzenia nazw obudów i znacze-
nie poszczególnych pojęć. Zakres
objęty tym dokumentem jest bardzo
szeroki i oprócz układów scalonych
obejmuje również obudowy elemen-
tów dyskretnych, przyrządów mocy,
a nawet podzespołów optoelektro-
nicznych. Twórcy standardu dołoży-
li starań, żeby w jak największym
stopniu zasymilować nazwy już
istniejące. Dzięki temu większość
wcześniej używanych określeń za-
chowała swoje znaczenie. Osoby
zainteresowane kompletną listą sym-
boli odsyłam do lektury JESD30,
natomiast tutaj przytoczymy kilka
najczęściej spotykanych pojęć wy-
jaśniając znaczenie jakie przypisano
im w standardzie.
Trzon nazwy obudowy stanowi
trzyliterowe oznaczenie podstawo-
wego typu złożone z dwuliterowe-
go oznaczenia kształtu korpusu i
jednoliterowego prefiksu kodującego
rozmieszczenie wyprowadzeń albo
jednoliterowego sufiksu niosącego
informację o kształcie wyprowa-
dzeń. Wśród dwuznakowych ozna-
czeń kształtu znajdują się m.in.:
–
SO –
Small Outline
– obudowa
prostokątna z wyprowadzeniami
rozmieszczonymi wzdłuż dwóch
równoległych krawędzi.
–
QF –
Quad Flatpack
– obudowa
prostokątna z wyprowadzeniami
umieszczonymi wzdłuż trzech lub
(najczęściej) czterech boków.
–
GA –
Grid Array
– obudowa pro-
stokątna z wyprowadzeniami roz-
mieszczonymi w układzie regular-
nej matrycy zajmującej całą dolną
płaszczyznę korpusu.
Znajdziemy tu również takie, zna-
ne skądinąd symbole jak:
–
IP
–
In–Line Package
,
–
IM
–
In–Line Module.
Jednoliterowy przedrostek kodujący
rozmieszczenie wyprowadzeń możemy
odnaleźć m.in. w oznaczeniach:
–
Sxx
(
Single
) – wyprowadzenia
umieszczone w jednym rzędzie.
Np. SIP (
Single In–Line Package
)
lub SIM (
Single In–Line Module
)
znane m.in. z modułów pamięci
SIMM,
–
Dxx
(
Dual
) – wyprowadzenia w
dwóch rzędach zajmujące prze-
ciwległe boki obudowy, np. DIP
(
Dual In–Line Package
) lub DIM
(
Dual In–Line Module
) – znane
m.in. z modułów pamięci DIMM
posiadających dwa rzędy niezależ-
nych kontaktów po obu stronach
płytki drukowanej,
–
Qxx
(
Quad
) – wyprowadzenia
na czterech bokach prostokątne-
go korpusu,
–
Bxx
(
Bottom
) – wyprowadzenia
skierowane w stronę płaszczyzny
posadowienia układu. Określenie
to wprowadzono przede wszystkim
w celu zachowania w niezmienio-
w całości pod plastikowym kor-
pusem, reprezentowanych m.in.
przez rodzinę QFN (
Quad Flat
Noleads
) (
fot. 3
).
– obudowy z matrycowym układem
wyprowadzeń (
Grid Array
) repre-
zentowane w dziedzinie SMD
przez bardzo liczną rodzinę BGA
(
Ball Grid Array
–
fot. 4
). Wspól-
ną cechą łączącą obudowy BGA
jest wykonanie wyprowadzeń w
postaci kulek stopu lutowniczego
ulegających (najczęściej) przeto-
pieniu podczas montażu.
Poruszając się w obszarze popu-
larnych podzespołów powszechnie
dostępnych na sklepowych półkach
raczej nie napotkamy większych
problemów. Zdecydowana większość
z nich (np. standardowych ukła-
dów logicznych o umiarkowanej
liczbie wyprowadzeń itp.) została
opracowana co najmniej dekadę
temu i mieści się w zaledwie kilku
typowych obudowach. Natomiast
dla osób zamierzających korzystać
z produktów bardziej wyrafinowa-
nych, zwłaszcza tych pochodzących
z ostatnich lat, nie mam niestety
dobrych wiadomości. Presja na wy-
twarzanie układów o coraz większej
Tab. 1. Zalecane przez JEDEC przedziały grubości obudów
Symbol
Nazwa
Wysokość obudowy A [mm]
–
Standard A >1,70 mm
L
Low
A <=1,70 mm A >1,20 mm
T
Thin
A <=1,20 mm A >1,00 mm
V
Very thin A <=1,00 mm A >0,80 mm
W
Very,very thin A <=0,80 mm A >0,65 mm
U
Ultra thin A <=0,65 mm A >0,50 mm
Fot. 5. Wyprowadzenie typu J
(fragment obudowy PLCC)
X
Extremely thin A <=0,50 mm
68
Elektronika Praktyczna 4/2005
[ Pobierz całość w formacie PDF ]