ep 07 054-059 obudowy cz4, Elektronika-inne, Lutowanie SMD
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
NOTATNIK PRAKTYKA
Montaż elementów SMD,
część 4
Uporawszy się z prezentacją obudów możemy wreszcie zająć się
właściwym tematem naszego cyklu, czyli lutowaniem podzespołów
SMD. W tym odcinku przedstawimy narzędzia i środki niezbędne
podczas ręcznego montażu elementów – jak się okaże – także
montowanych w dość wyrafinowanych obudowach.
Każda technika lutowania mięk-
kiego, a z takim mamy do czynienia
w naszym przypadku, polega w istocie
na wykonaniu kilku podstawowych
czynności: podgrzaniu złącza do wy-
maganej temperatury, dostarczeniu
topnika usuwającego zanieczyszczenia
i podaniu stopu lutowniczego two-
rzącego właściwą spoinę. W montażu
elektronicznym „od zawsze” królowało
kontaktowe lutowanie metodą „punkt
po punkcie” tzn. gorącym grotem lu-
townicy i spoiwem w postaci drutu
rdzeniowego wypełnionego topnikiem.
Upowszechnienie (na początku lat
60-tych ubiegłego stulecia) obwodów
drukowanych umożliwiło wprowadze-
nie lutowania „na fali” (
wave solde-
ring
), polegającego na obsadzeniu gór-
nej strony płytki drukowanej wszyst-
kimi elementami a następnie przecią-
gnięciu jej dolnej powierzchni przez
grzbiet fali utworzonej ze strumienia
ciekłego stopu lutowniczego. Stopiony
metal spełnia tu jednocześnie dwie
fukcje – nagrzewa złącza i osadza się
na nich wypełniając spoiny. Lutowa-
nie na fali zdecydowanie przyspiesza
proces montażu dzięki czemu dosko-
nale sprawdza się w produkcji wiel-
koseryjnej. Jednak w odróżnieniu od
tradycyjnego lutowania punktowego
naraża laminat i podzespoły na znacz-
nie większe obciążenia termiczne.
Wraz z wprowadzeniem montażu
powierzchniowego, oprócz adaptacji
pozwalających na wykorzystanie do-
brze opanowanej „fali” a polegających
na wstępnym przyklejaniu podzespo-
łów SMD do laminatu, rozwinięto
przede wszystkim technikę lutowania
rozpływowego (
reflow soldering
). W tej
technice odwrócono kolejność operacji.
Fot. 48. Chwytak podciśnieniowy
służący do przenoszenia m.in. ukła-
dów QFP
sposób utrudniają operowanie nimi,
zmuszając do zachowania stoickiego
spokoju i korzystania z odpowiednio
precyzyjnych narzędzi. Jednak nie tyl-
ko trudności z manipulacją decydują
o specyfice SMT. Wymieńmy najważ-
niejsze z nich:
• Miniaturowe rozmiary utrudniania-
ją dokładne pozycjonowanie pod-
zespołów. Precyzyjne zgranie wy-
prowadzeń np. QFP100 w rastrze
0,5 mm z polami lutownicznymi
na płytce wymaga nie tylko spo-
kojnej ręki, ale także odpowied-
niego sprzętu optycznego. Również
końcowa ocena jakości wykona-
nego montażu, wyszukiwanie ew.
zwarć i niedolutowań nie może się
obyć bez wspomagania wzroku.
• Małe rozmiary i zagęszczenie pól
wymagają zachowania szczegól-
nej dbałości o czystość lutowia
i jakość stosowanych topników.
W precyzyjnych połączeniach nie
ma miejsca na ewentualne niejed-
norodności spoin.
• Elementy SMD pozbawione dłu-
gich wyprowadzeń są narażone
na wysoką temperaturę lub wręcz
bezpośredni kontakt ze stopionym
lutowiem. Dlatego montaż musi
odbywać się szybko i sprawnie,
przy zachowaniu pewnych ustalo-
nych rygorów.
• Brak elastycznych wyprowadzeń
i sztywne powiązanie mechaniczne
elementów z płytką sprzyjają po-
wstawaniu naprężeń termicznych
Montaż rozpoczyna się od naniesienia
na pola lutownicze (np. metodą dru-
ku szablonowego) cienkiej warstwy
lutowia wraz z topnikiem, spreparo-
wanego w postaci lepkiej pasty. Wy-
korzystując własności adhezyjne pasty
układa sie na niej wszystkie elemen-
ty SMD, po czym cała płytka wędru-
je do pieca tunelowego. W kolejnych
strefach pieca, na skutek działania
wysokiej temperatury, zachodzi sze-
reg procesów kończący się stopieniem
zawartego w paście lutowia i utworze-
niem trwałych spoin. Do nagrzewania
obwodu drukowanego w piecu tunelo-
wym stosuje się promienniki podczer-
wieni lub – coraz częściej – wymu-
szoną konwekcję gorącego powietrza
lub gazu obojętnego (azotu).
W praktyce warsztatowej możemy
spotkać echa każdej z powyższych
technik – oczywiście sprowadzone
do skali montażu jednostkowego.
Począwszy od tradycyjnej lutowni-
cy grzałkowej wyposażonej w sze-
reg grotów o różnych kształtach
– w tym grot typu „minifala” symu-
lujący w mikroskali falę stopionego
lutowia, przez nagrzewnice z pro-
miennikami IR służące do wstęp-
nego podgrzewania naprawianych
modułów, aż do stacji lutowniczych
z nadmuchem gorącego powietrza
(
HotAir soldering station
) wykorzy-
stywanych do demontażu i rozpły-
wowego lutowania pastą.
Na pytanie „co stanowi najwięk-
szą trudność w montażu podzespołów
SMD?”, wielu Czytelników odpowie-
działaby zapewne „rozmiary”. Minia-
turowe gabaryty i zwarta konstruk-
cja podzespołów SMD w oczywisty
Fot. 47. Podręczny zestaw pincet
Fot. 49. Stereoskopowy mikroskop
montażowy (DeltaOptical XLT-IV)
54
Elektronika Praktyczna 7/2005
NOTATNIK PRAKTYKA
Fot. 50. Stanowisko warsztatowe
zestawione na potrzeby niniejszego
artykułu
formowaniu pogiętych wyprowadzeń.
Kolejny egzemplarz umożliwia uchwy-
cenie w poprzek całej obudowy SOIC.
Ostatni model to pinceta „płytkowa”
przeznaczona do operowania wszyst-
kim co płaskie – układami w obudo-
wach SOP i QFP ale także np. lami-
natem układanym na żelazku.
Obudowy QFP, najeżone ze
wszystkich stron wyprowadzeniami
są dosyć niewdzięczne do chwyta-
nia pincetą. Do tego typu układów
(choć nie tylko) bardziej nadaje się
chwytak podciśnieniowy wyposażo-
ny w wymienne przyssawki o róż-
nych rozmiarach (
fot.
48
).
w czasie montażu i mechanicznych
wywołanych zginaniem płytki. Do
elementów szczególnie wrażliwych
na pękanie (o czym zresztą łatwo
się zapomina) należą kondensa-
tory ceramiczne MLCC. Uszko-
dzenie na skutek nieudolnego
montażu np. kilku kondensatorów
odsprzęgających zasilanie może
łatwo przejść niezauważone. Za
wyjątkiem trudnej do wyjaśnienia
skłonności gotowego urządzenia
do częstych zawieszeń.
Sprzęt optyczny
Według mojej subiektywnej oceny,
przy lutowaniu układów SOIC z ra-
strem e=1,27 mm i drobnych elemen-
tow nie mniejszych niż 0805, można
się obyć bez wspomagania optycz-
nego. Niemniej użycie ok. 2–krot-
nego powiększenia znacznie popra-
wia komfort pracy. Pozycjonowanie
układów w rastrze e=0,65 mm wy-
maga już powiększeń rzędu 5…10x
natomiast po sięgnięciu do rastra
e=0,5 mm dobrą widoczność zapew-
niają dopiero powiększenia w zakresie
10…15x. Na szczęście do wykonania
większości operacji związanych z lu-
towaniem i demontażem w zupełności
wystarcza podświetlana lupa warsz-
tatowa zamontowania na wysięgniku
lampy kreślarskiej lub lupa nagłow-
na. Powiększenia przekraczające 5x
są potrzebne przede wszystkim przy
wstępnym pozycjonowaniu układów
scalonych o gęstym rastrze oraz do
kontroli jakości wykonanych połą-
czeń, tzn. przy czynnościach nie wy-
magających dużej powierzchni pola
widzenia. Ten zakres można znaleźć
np. w lupach zegarmistrzowskich
(„monoklach”), przenośnych mikrosko-
Narzędzia do manipulacji
podzespołami
Wygoda pracy z SMD zaczyna się
od posiadania odpowiedniej pincety.
A najlepiej nie jednej, a całego kom-
pletu dostosowanego do elementów
o różnej wielkości. Na
fot.
47
przed-
stawiono podręczny zestaw zebrany
z własnego stołu montażowego. Dwie
pierwsze (licząc od dołu) pincety
o ostrych, ale delikatnych zakończe-
niach służą do operowania „drob-
nicą” i precyzyjnego pozycjonowania
układów scalonych. Pinceta o krótkim,
sztywnym, kątowym zakończeniu rów-
nież dobrze zdaje egzamin przy ma-
nipulowaniu elementami RCDT, jed-
nak przydaje się też w sytuacjach gdy
trzeba użyć większej siły – np. przy
Fot. 51. Stacja lutownicza Xytronic
988D z końcówką lutowniczą ES-
D107
Fot. 52. Grot „miniflala” do mon-
tażu układów scalonych o gęstym
rastrze wyprowadzeń
Elektronika Praktyczna 7/2005
55
NOTATNIK PRAKTYKA
graficzną do niniejszego artykułu ko-
rzystałem zarówno z akcesoriów typu
„pomysłowy Dobromir” jak i urządzeń
fabrycznych, aczkolwiek reprezentują-
cych dalekowschodnią (czyt. dolną)
półkę cenową, czyli potencjalnie leżą-
cych w zasięgu adresatów niniejszego
cyklu. Na stanowisku montażowym
(
fot.
50
) znalazły się m.in.:
• stacja lutownicza Xytronics 988D
(
fot.
51
)wyposażona w :
§ lutownicę ESD107 (60 W)
z dodatkowym grotem typu
„minifala”
§ rozlutownicę pincetową (
twe-
ezer
) typu TWZ–60 (
fot.
54
)
o mocy 2x30 W
§ końcówkę HotAir HAP–60
o mocy 60 W
• stacja z nadmuchem gorącego po-
wietrza Xytronics 850D (
fot.
53
)
o maksymalnej wydajności prze-
pływu 28 l/min. i max. mocy
grzałki 310 W wraz z wymienny-
mi dyszami
• termopinceta złożona na pocze-
kaniu z dwóch tanich lutownic
40 W (
fot.
54
)
• zwykła lutownica oporowa
40 W z zestawem grotów kształ-
towych do demontażu (
fot.
55
),
wykonywanych
ad hoc
według
bieżących potrzeb.
Zebrane uwagi na temat jakości
i przydatności używanego sprzętu
postaram się przekazać przy okazji
omawiania poszczególnych sposo-
bów ich wykorzystania.
Fot. 55. Wykute na poczekaniu gro-
ty kształtowe do lutownicy mogą
bardzo ułatwić demontaż SMD
Fot. 53. Stacja lutownicza z nadmu-
chem gorącego powietrza (Xytronic
850D)
powierzchnie z natury rzeczy dobrze
poddające się lutowaniu (Cu, Ag,
Sn, SnPb) i względnie czyste, tzn.
pozbawione grubej warstwy tlen-
ków, siarczków i innych zanieczysz-
czeń. Zatem w montażu powierzch-
niowym topniki mają za zadanie
usunięcie jedynie cienkiej natural-
nej wartwy tlenków i zwiększenie
napięcia powierzchniowego lutowia
a tym samym nie wymaga się od
nich dużej aktywności chemicz-
nej. Natomiast zwraca się uwagę,
żeby pozostawione resztki topnika
nie działały korozyjnie a najlepiej,
żeby w ogóle nie wymagały mycia
po montażu (tzw. topniki
no-cle-
an
). Z popularnych topników, łatwo
dostępnych w sprzedaży detalicznej
warto wymienić dwa rodzaje:
• RF800
(Alphametals), często ety-
kietowany jako „Topnik do SMD
– NO CLEAN”. Ma postać rzad-
kiego roztworu o małej zawartości
substancji stałych (<5%) i śred-
niej aktywności. Po odparowaniu
niemal nie zostawia osadu. Do-
brze nadaje się do ręcznego luto-
wania drobnych elementów SMD.
Ze względu na dużą zawartość
izopropanolu (~90% IPA) pary
RF800 działają drażniąco, przede
wszystkim na oczy i drogi odde-
chowe, zatem topnik ten wymaga
dobrej wentylacji stanowiska.
• RMA–7
(Alphametals). Jest to
średnioaktywny topnik kalafoniowy
typu RMA (
mildly activated rosin
)
w postaci gęstego żelu, konfekcjo-
nowany w strzykawkach i przezna-
czony do ręcznego montażu i na-
praw. Nałożony grubą warstwą na
nóżki układu scalonego prawie się
nie rozpływa i znakomicie ułatwia
montaż oraz demontaż elementów
o dużej gęstości wyprowadzeń. Po-
zostałości RMA–7 są niekorozyjne
i nieprzewodzące, więc nie wyma-
gają natychmiatowego usuwania.
Jednak resztki topnika zachowu-
ją pewną lepkość dlatego chcąc
pach przeznaczonych dla poligrafów
itp. Niestety jednosoczewkowe lupy
o krótkich ogniskowych wprowadza-
ją duże zniekształcenia co poważ-
nie uprzykrza posługiwanie się nimi
w montażu. Swobodę pracy wynika-
jącą z dobrej jakość obrazu w całym
polu roboczym zapewnia dopiero mi-
kroskop stereoskopowy na statywie
o długim ramieniu i powiększeniu
regulowanym w zakresie od kilku do
kilkudziesięciu razy. Jest to jednak
swoboda dosyć kosztowna. Zakup
technicznego stereomikroskopu o ak-
ceptowalnej jakości wiąże się obecnie
z wydatkiem od ok. 900 (
fot.
49
) do
kilku tysięcy złotych.
Sprzęt lutowniczy
Stacje lutownicze budzą najwięk-
sze emocje wśród osób zainteresowa-
nych techniką SMT, choć jak wyka-
zuje praktyka wcale nie są jedynym
i najważniejszym czynnikiem decydu-
jącym o powodzeniu montażu. Wyko-
nując próby i całą dokumentację foto-
Topniki i akcesoria
Zarówno metalizacja płytki dru-
kowanej jak i końcówki podzespo-
łów używanych do montażu mają
Fot. 54. Dwie termopincety do demontażu elementów SMD: (D) TWZ-60 z
wyposażenia stacji XY-988D oraz (G) prosta konstrukcja amatorska
56
Elektronika Praktyczna 7/2005
NOTATNIK PRAKTYKA
Elektronika Praktyczna 7/2005
57
NOTATNIK PRAKTYKA
Fot. 56. Plecionki miedziane do odsysania nadmia-
ru lutowia
do zredukowania spo-
rej (w porównaniu
z wielkością spoiny)
ilości tlenków zgro-
madzonych na grocie.
Dlatego praktycznie
przed każdym użyciem
trzeba grot dokładnie
oczyścić, przytapiając
nim bryłkę kalafonii
i wycierając o wilgot-
ną gąbkę celulozową
lub specjalnie do tego
przeznaczony metalo-
wy czyścik.
Z niezbędnych ak-
cesoriów należy jesz-
cze wymienić plecionki
do odsysania lutowia
(
fot.
55
), czyli pła-
skie tasiemki splecione
z miedzianych drutów
i nasycone topnikiem.
Dzięki silnie rozwiniętej powierzchni
plecionki te wykazują dużą skłon-
ność do wchłaniania lutowia, co
niezmiernie przydaje się do odsy-
sania nadmiaru cyny z używanych
pól lutowniczych a także do usuwa-
nia mostków cyny pozostawionych
między nózkami układów scalonych.
Spośród trzech szerokości plecionki
uwzględnionych na zdjęciu, w pracy
z SMD najczęściej przydaje się roz-
miar najwęższy.
spoiwa bezołowiowe jest coraz bliż-
szy, jednak w serwisie i jednostkowej
produkcji wciąż dominuje tradycyjny
stop cynowo – ołowiowy. Nabywając
w detalu, konfekcjonowaną w strzykaw-
kach pastę przeznaczoną do montażu
ręcznego i napraw, otrzymamy miesza-
ninę zawierającą rozdrobniony, oko-
łoeutektyczny stop SnPb (najczęściej
Sn62Pb36Ag2) zawieszony w żelowym,
niskoaktywnym topniku typu
no–clean
tzn. niekorozyjnym i nie wymagającym
mycia po lutowaniu. Ze względu na
skłonność do sedymentacji cząstek lu-
towia, pasty te mają dosyć ograniczo-
ną trwałość. Dlatego przy zakupie na-
leży zwrócić uwagę na datę ważności
a także na zalecenia producenta doty-
czące składowania w obniżonej tempe-
raturze (np. w drzwiach lodówki).
Nanoszenie preparatu na płytkę
odbywa się bezpośrednio ze strzykaw-
ki przez krótką igłę o średnicy dobra-
nej do jego lepkości. Do wytłoczenia
pasty wystarczy silna ręka jednak
trudno w ten sposób uzyskać precyzję
nanoszenia i powtarzalność dawek. Do
systematycznej pracy warto zatem roz-
ważyć nabycie przynajmniej ręcznego
dozownika (dostępnego np. w ELFA
pod nazwą „pistolet dozujący” lub
w TME – dział „dozowniki i osprzęt”,
fot.
57
) nie mówiąc już o zautomaty-
zowanych ale niestety znacznie droż-
szych, dyspenserach pneumatycznych
zapewniających regulowaną i powta-
rzalną wielkość porcji tłoczonych przy
każdym dozowaniu.
uchronić płytkę przed późniejszym
chwytaniem zanieczyszczeń a także
ze względu na estetykę, możemy
je łatwo zmyć np. w alkoholu izo-
propylowym (IPA).
Obowiązkowa niegdyś czysta ka-
lafonia powoli traci swoje znacze-
nie jako zasadniczy topnik monta-
żowy, jednak na swoim stanowisku
wciąż nie rezygnuję z pokaźnej brył-
ki leżącej na podstawce lutownicy.
W precyzyjnym montażu podzespo-
łów SMD, bardzo duże znaczenie
ma czystość lutowia. Mówiąc ob-
razowo, w miniaturowej spoinie nie
ma miejsca na obce wtrącenia takie
jak nierozpuszczone tlenki, resztki
zużytego topnika, itp. niejednorod-
ności. Współczesne, nierozpuszczal-
ne groty przyjmują wprawdzie je-
dynie niewielką ilość stopu, jednak
po odłożeniu lutownicy na pod-
stawkę ulega on szybkiemu utle-
nianiu. Ilość topnika podawanego
bezpośrednio na płytkę lub apliko-
wanego wraz z drutem rdzeniowym
jest wystarczająca do oczyszczenia
powierzchni płytki i świeżego luto-
wia, jednak zazwyczaj zbyt mała
Pasta lutownicza
Producenci past lutowniczych (np.
AIM, Koki, Alphametals, Multicore,
Electrolube) oferują szeroką gamę pro-
duktów różniących się m.in. składem,
zawartością i wielkością ziaren stopu
lutowniczego, aktywnością topnika
i korozyjnością jego pozostałości, tem-
peraturą odparowania rozpuszczalnika
a także lepkością i własnościami tikso-
tropowymi. Dobór właściwego rodza-
ju pasty do konkretnego zastosowania
wymaga zatem sporej wiedzy tech-
nologicznej. Na szczęście większość
z tych parametrów, ma istotne znacze-
nie jedynie w procesach przemysło-
wych. W praktyce warsztatowej, gdzie
zamiast druku szablonowego musi
wystarczyć opanowana ręka uzbrojona
w strzykawkę, a wygrzewanie w piecu
tunelowym o precyzyjnie ustalonym
profilu temperatury zastępuje ręczna
dmuchawka z gorącym powietrzem,
powinniśmy zwrócić uwagę przede
wszystkim na skład stopu i właści-
wości korozyjne topnika. Wprawdzie
termin zobowiązujący do przejścia na
Co w paście piszczy
Zanim sięgniemy po pastę lutow-
niczą i strumień gorącego powietrza
przyjrzyjmy się jeszcze zjawiskom
zachodzącym w czasie lutowania
rozpływowego. Na
rys.
58
przedsta-
wiono przeciętny profil temperatu-
ry przez jaki musi przejść płytka
w piecu do lutowania. Możemy go
podzielić na 4 etapy:
• Nagrzewanie wstępne (
pre –
heat
).
• Oczyszczanie (
soak
).
• Rozpływ (
reflow
).
• Chłodzenie (
cooling
).
Każdy z etapów ma ściśle okre-
ślony zalecany czas trwania oraz
dopuszczalne gradienty temperatury.
Oczywiście dokładne wartości zależą
od konkretnych warunków procesu
a nasz przykładowy profil reprezentu-
je tylko jeden z możliwych wariantów,
niemniej spróbujemy na jego podsta-
wie pokrótce opisać z czego wynikają
Fot. 57. Ręczny dozownik do past
i topników konfekcjonowanych w
strzykawkach
58
Elektronika Praktyczna 7/2005
[ Pobierz całość w formacie PDF ]