ep 08 052-057 lutowanie cz5, Elektronika-inne, Lutowanie SMD
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
NOTATNIK PRAKTYKA
Montaż elementów SMD,
część 5
Przebrnąwszy przez obszerne wprowadzenie dotarliśmy w końcu
do właściwego tematu, zawierającego się w złożonym przez Red.
Naczelnego zamówieniu: „Napisz coś praktycznego o montażu
SMD”. Wyliczyliśmy już obudowy SMD leżące w obszarze naszych
zainteresowań, wspomnieliśmy o istotnych różnicach między
montażem SMT i TH, wypunktowaliśmy zjawiska zachodzące
podczas lutowania, wymieniliśmy ważniejsze narzędzia i akcesoria...
Pozostała zatem część najprzyjemniejsza – czysta praktyka, do
tego ilustrowana licznymi zdjęciami.
a)
Zaczniemy od elementarnego
narzędzia elektronika, czyli zwy-
kłej lutownicy. Na często zadawa-
ne pytanie o typ stacji lutowniczej
„niezbędnej do lutowania SMD” od-
powiadam przekornie, że żadna sta-
cja nie działa sama a montażyście
potrzebna jest przede wszystkim
wprawa poparta elementarną wiedzą
na temat procesu lutowania. Oczy-
wiście posiadanie stacji lutowniczej,
zapewniającej regulację i stabilizację
temperatury grota, znacznie popra-
wia komfort pracy. Tym bardziej że
rynkowe ceny tego sprzętu ostatecz-
nie przestały pełnić funkcję zaporo-
wą. Jednak w warunkach bojowych
nawet zwykła lutownica grzałkowa
powinna wystarczyć do wykona-
nia poprawnego montażu. Wpraw-
dzie sam nie korzystam z lutowni-
cy transformatorowej, jednak jestem
skłonny wierzyć zapewnieniom ko-
legów, że w sprawnych rękach rów-
nież i taki archaiczny sprzęt spraw-
dza się w technice SMT. Przy ko-
rzystaniu ze zwykłej lutownicy na
pewno przyda się dodatkowa możli-
wość regulacji mocy, chociażby przy
pomocy ściemniacza, pozwalająca
na ograniczenie przegrzewania koń-
cówki po odłożeniu jej na podstaw-
kę. Ale przede wszystkim trzeba
nauczyć się wzrokowej oceny tem-
peratury grota, m.in. na podstawie
szybkości utleniania pokrywającej go
cyny czy zachowania się topionej
kalafonii (bryłka dotknięta grotem
powinna łagodnie wrzeć, jednak
bez skłonności do intensywnego
dymienia). Moim zdaniem, właśnie
umiejętność obserwacji obejmująca
także sam proces formowania złą-
cza, decyduje o jego jakości bardziej
niż (dosyć umowne) nastawy tem-
peratury w regulatorze stacji.
Istotne znaczenie będzie miał
dla nas wybór grota. Skoro chce-
my przymierzyć się do precyzyj-
nych elementów to w naturalnym
odruchu wybierzemy ostrą koń-
cówkę o rozmiarach porównywal-
nych z wymiarami złącz, czyli ok.
0,6...1 mm. Nie będzie odkryw-
czym stwierdzenie, że najważniej-
sze zadanie grota polega na sku-
tecznym przekazywaniu ciepła. Za-
tem jego kształt powinien zapew-
nić możliwie dobre przyleganie do
płytki i lutowanego elementu a tym
samym małą rezystancję termiczną
styku i szybkie nagrzewanie pola
operacyjnego. Dotyczy to przede
wszystkim współczesnych grotów
o gładkiej, nierozpuszczalnej po-
wierzchni, przyjmujących jedynie
znikomą ilość stopu lutowniczego.
Złe oddawanie ciepła skłania do
nadmiernego forsowania temperatu-
ry lutownicy (tzn. istotnie powyżej
~250˚C niezbędnych do skutecz-
nego wygrzania złącza) a w konse-
kwencji zwiększa ryzyko przegrza-
nia płytki i elementów oraz przy-
spiesza utlenianie lutowia na gro-
cie. Większość ze sprzedawanych
tanich stacji lutowniczych posiada
w standardowym wyposażeniu jedy-
nie grot z zakończeniem w kształcie
zaokrąglonego stożka. Zadajmy so-
bie zatem proste pytanie z geome-
trii. Jaką powierzchnię styku ma
zaokrąglony stożek przyłożony do
płaszczyzny? Udzieliwszy odpowie-
dzi można spokojnie zająć się na-
byciem nowego grota o bardziej ra-
cjonalnym kształcie. Np. wąskiego
„śrubokręta” lub stożka ale z uko-
śnym ścięciem wierzchołka.
Co da się przylutować wybra-
nym grotem? Decydując się na wą-
skie zakończenie kierowaliśmy się
b)
c)
Fot. 60. Punktowy montaż drobnych
elementów SMD. a) Pola lutownicze
oczyszczone z ew. pozostałości
starego lutowia i pokryte ciekłym
topnikiem. Jedno pole wstępnie
pocynowane. b) Lutowanie pierw-
szego pola. Element przytrzymywany
pincetą ma osiąść płasko na płyt-
ce a grot nie powinien dotykać go
bezpośrednio. c) Lutowanie drugie-
go punktu. U góry widać przyłożony
drut lutowniczy.
zamiarem dotarcia nim do każde-
go wyprowadzenia z osobna. Zatem
dyponując końcówką o szerokości
0,6...1 mm będziemy w stanie mon-
tować drobne elementy (R, C, D, T)
oraz układy scalone o niewielkiej
liczbie wyprowadzeń i luźnym ra-
strze a więc przede wszystkim
SOIC i PLCC.
52
Elektronika Praktyczna 8/2005
NOTATNIK PRAKTYKA
a)
a)
dzenia montowanego elementu.
- Montaż utrwalony na zdjęciu
odbywa się na nowej, czystej
płytce. Jeżeli pola montażowe
były już wcześniej używane to
wymagają najpierw dokładnego
oczyszczenia plecionką. Resztki
starego lutowia uniemożliwią
bowiem poziome osadzenie ele-
mentu na płytce.
- Jak już wcześniej wspomina-
łem, sięgając po lutownicę na-
leży najpierw oczyścić grot
z resztek utlenionego lutowia
dotykając nim kalafonii i wy-
cierając o wilgotną gąbkę celu-
lozową lub specjalny metalowy
czyścik. Znikoma ilość topnika
naniesionego na płytkę i zawar-
tego w drucie rdzeniowym nie
wystarczy bowiem do eliminacji
tlenków z grota.
- Operacja montażu sprowadza
się do pocynowania jednego
pola (
fot. 60a
), jednostronnego
przylutowania elementu z doci-
śnięciem do podłoża (
fot. 60b
)
a następnie przylutowania po-
zostałych wyprowadzeń świeżą
cyną podawaną bezpośrednio
na złącze (
fot. 60c
). Do precy-
zyjnego montażu przydaje się
cienki drut lutowniczy. Może
to być łatwy do nabycia drut
F 0,56 mm, choć posiadanie
drutu F 0,25 mm ułatwia do-
kładne dozowanie lutowia.
- Szczególnej uwagi wymaga mon-
towanie delikatnych elementów,
wrażliwych na przegrzanie (ta-
kich jak np. kondensatory tan-
talowe) oraz kruchych a tym
samym wrażliwych na uszko-
dzenia mechaniczne i nadmier-
ny gradient temperatury (kon-
densatory ceramiczne MLCC).
Wrażliwość warstwowych kon-
densatorów ceramicznych na
zmiany temperatury wynika ze
znacznej różnicy współczynni-
ków rozszerzalności między ce-
ramicznym dielektrykiem a me-
talicznymi pokryciami elektrod
oraz laminatem. Gwałtowne na-
grzewanie chipu powoduje po-
wstawanie charakterystycznych
mikropęknięć w jego strukturze,
naruszających ciągłość elektrod.
Mikropęknięcia te następnie po-
większają się i kumulują w ko-
lejnych cyklach termicznych.
Oprócz ewidentych uszkodzeń
jak zwarcie lub całkowita utra-
b)
b)
c)
d)
c)
e)
Fot. 61. Punktowy montaż ukła-
du scalonego o luźnym rastrze
(e=1,27 mm). a) Płytka oczyszczo-
na i pokryta ciekłym topnikiem.
Pocynowane dwa pola bazowe.
b) Pozycjonowanie i aretowanie
elementu. Po zalutowaniu pól
bazowych wszystkie nóżki powinny
dotykać płytki. c) Lutowanie punkt
po punkcie kolejnych pól.
Fot. 62. Montaż układów scalo-
nych o gęstym rastrze (na zdjęciu:
e=0,65 mm) przy użyciu zwykłego
grota. a) Nakładanie żelowego
topnika. b) Lutowanie z nadmiarem
cyny. Grot prowadzi kroplę stopu
przeciągając ją przez kolejne pola.
c) Pozostała kropla cyny tworzy
mostek zwierający ostatnie nóżki.
d) Usuwanie zwarć przez odessanie
plecionką zbędnego lutowia, e) wy-
gląd gotowych złącz po oczyszcze-
niu z nadmiaru stopu lutowniczego.
Fot. 60
przedstawia sekwencję
czynności związanych z montażem
chipu 0805. Chociaż operacja wy-
gląda bardzo prosto to jednak wy-
maga opatrzenia dodatkowym ko-
mentarzem.
- Płytka przed lutowaniem zosta-
ła pokryta ciekłym topnikiem
RF800. Trzeba zadbać, żeby top-
nik zwilżył również wyprowa-
ta pojemności, częściej dochodzi
do uszkodzeń częściowych np.
zmniejszenia pojemności lub
wzrostu rezystancji szeregowej
(ESR). Takie defekty, występu-
jące np. wśród kondensatorów
odsprzęgających zasilanie, mogą
być trudne do zdiagnozowania
a zarazem fatalnie wpływać na
niezawodność urządzenia. Rów-
nież mechaniczne odkształce-
Elektronika Praktyczna 8/2005
53
NOTATNIK PRAKTYKA
a)
nia płytki przenoszące się na
źle rozmieszczone kondensatory
powodują ich pękanie. Problem
nie jest błahy i wg. dostępnych
opracowań dotyczy znacznego
odsetka ręcznie montowanych
kondensatorów MLCC, jednak
znacznie wykracza poza ramy
artykułu. Generalnie powinno
się przyjąć zasadę, że w trakcie
montażu grot lutownicy ma na-
grzewać jedynie pole lutownicze
na płytce a nigdy nie dotykać
bezpośrednio wrażliwego ele-
mentu. Również należy unikać
stosowania nadmiernej ilości lu-
towia (złącze ma mieć wygląd
wklęsłego menisku a nie wysta-
jącej, obłej kropli).
Na
fot. 61
możemy zobaczyć
analogiczną operację, tzn. lutowa-
nie punkt po punkcie układu sca-
lonego w obudowie SOIC. Najważ-
niejszą czynnością towarzyszącą
montażowi wszelkich układów sca-
lonych jest dokładne, wstępne po-
zycjonowanie obudowy. Dwa skraj-
ne, zawczasu pocynowane, pola
lutownicze (
fot. 61a
) służą jako
punkty bazowe do których mocuje
się układ, osadzając go płasko na
płytce (
fot. 61b
). Dopiero po wery-
fikacji i ew. skorygowaniu ustawie-
nia oraz sprawdzeniu czy wszyst-
kie wyprowadzenia dotykają podło-
ża, można przystąpić do lutowania
pozostałych pól (
fot. 61c
).
Układy SOIC o rastrze wypro-
wadzeń e=1,27 mm są dosyć ła-
twe do montażu – zarówno dzię-
ki umiarkowanym wymaganiom co
do precyzji operowania lutownicą
ale także za sprawą szerokich se-
paracji między polami lutowniczy-
mi, utrudniających powstawanie
zwarć. Jednak co zrobić, gdy ra-
ster staje się mniejszy od rozmia-
rów grota i nie da się przylutować
jednego wyprowadzenia nie zwie-
rając przy tym kilku sąsiednich?
Odpowiedź jest o tyle prosta co
zaskakująca – użyć dobrego topni-
ka i nie przejmować się zwarcia-
mi.
Fot. 62
dokumentuje montaż
układu QFP o rastrze e=0,65 mm
przy użyciu zwykłego, stożkowego
grota. Montaż zaczyna się od na-
łożenia warstwy topnika żelowego
(
fot. 62a
). Wprawdzie operacja po-
winna się udać także przy użyciu
ciekłego RF800 czy zwykłej kalafo-
nii, jednak w tym wypadku ujaw-
nia się wyższość żelu (na zdjęciu:
RMA–7) pokrywającego cały czas
nóżki układu i wydatnie ułatwia-
jacego operowanie kroplą lutowia.
Tym razem nie żałujemy cyny.
Płynnym ruchem grota przeciąga-
my nadmiar stopu przez cały rząd
wyprowadzeń, aż do skrajnych nó-
żek (
fot. 62b
). Operacja okaże się
łatwiejsza jeżeli nieco pochylimy
płytkę tak, żeby prowadzenie kropli
lutowia odbywało się pod kątem
w dół. Zapewne nie da się uniknąć
przy tym powstania kilku mostków
po drodze a na już na pewno du-
żego zwarcia paru ostatnich wy-
prowadzeń (
fot. 62c
). Zresztą taki
sposób montażu wykazuje pewne
pokrewieństwo z przemysłowym lu-
towaniem na fali. Do tego stopnia,
że problem zwarć mogłyby rozwią-
zać standardowo stosowane w tej
technice pułapki lutowia, czyli
dodatkowe, duże pola lutownicze
pozostawione za układem (patrząc
w kierunku ruchu fali) a przezna-
czone do przechwycenia nadmiaru
cyny. W naszym przypadku, tego
nadmiaru pozbędziemy się jednak
z łatwością (
fot. 62d
) za pomo-
cą znanej już plecionki uzyskując
efekt taki jak na
fot. 62e
.
Wróćmy jeszcze raz do kwestii
pozycjonowania. Im gęstszy raster
i delikatniejsze wyprowadzenia,
tym większego znaczenia nabiera
rzetelne sprawdzenie przed zalu-
towaniem czy wszystkie piny tra-
fiają dokładnie na swoje miejsca.
Pomijając fakt, że wbrew pozorom
wcale nietrudno popełnić błąd po-
legający na przesunięciu całego
układu o jedną pozycję, szczególną
uwagę trzeba zwrócić na wygięte
nóżki. W montażu automatycznym,
gdzie układ powinien być pobie-
rany niemal bezpośrednio z opako-
wania transportowego takie defor-
macje nie powinny mieć miejsca.
Jednak w podzespołach kupowa-
nych detalicznie, pakowanych w to-
rebki i tak też przechowywanych
w warsztacie, będzie niemal pew-
ne, że niektóre końcówki ulegną
odkształceniu. Wygięcia w bok, od-
suwające nóżkę z centrum pola lu-
towniczego, są względnie łatwe do
zauważenia i skorygowania. Jednak
równie ważne okazuje się dokład-
ne przyleganie „stopy” wyprowa-
dzenia do płytki drukowanej. Ma
to szczególne znaczenie gdy użyje
się plecionki do odsysania luto-
wia. Jej skuteczność jest bowiem
b)
c)
d)
Fot. 63. Grot z zakończeniem typu
„minifala”. a) Krater na końcu
grota gromadzący zapas stopu
lutowniczego. b) Przyłożenie gro-
ta do płytki – widok z boku. c)
Przyłożenie grota do płytki – widok
z góry. d) Wygląd końcówek po
przylutowaniu„minifalą”.
54
Elektronika Praktyczna 8/2005
NOTATNIK PRAKTYKA
Elektronika Praktyczna 8/2005
55
NOTATNIK PRAKTYKA
a)
c)
e)
b)
d)
f)
Fot. 64. Montaż gęstorastrowego układu scalonego (na zdjęciu: e=0,65 mm) przy użyciu grota „minifala”. a)
Nakładanie topnika na pola bazowe. b) Cynowanie pól bazowych (dwa skrajne pola w przeciwległych naroż-
nikach). c) Pozycjonowanie i wstępne mocowanie układu. Po umocowaniu układu należy jeszcze raz dokładnie
sprawdzić czy wszystkie nóżki przylegają do płytki i trafiają centralnie na właściwe pola. d) Nakładanie topnika
żelowego. e) Wypełnianie wgłębienia w grocie świeżym stopem. Grot musi być wcześniej dokładnie oczyszczony
z utlenionej cyny pozostałej po poprzednim lutowaniu. f) Lutowanie polegające na przeciągnięciu grota powol-
nym, płynnym ruchem przez cały rząd wyprowadzeń.
tak duża, że piny wiszące w po-
wietrzu zostaną po prostu rozluto-
wane. Jeżeli przyjrzymy się fot. 61
to zauważymy, że mimo woli zo-
stała na niej udokumentowana taka
właśnie fuszerka. Zagięta końcówka
nr 1 prawdopodobnie podnosi cały
układ odrywając kolejne piny od
podłoża.
Kłopotliwe operowanie luźną
kroplą cyny i konieczność później-
szego usuwania zwarć poskutkowa-
ła wprowadzeniem grota typu „mi-
nifala”. Na jego końcu wyżłobiono
krater gromadzący zapas stopu wy-
starczający do zalutowania całego
rzędu wyprowadzeń (
fot. 63a
). Zło-
śliwie można by stwierdzić, że jest
to osiągnięcie technologiczne pole-
gające na wykonaniu kroku wstecz.
W czasach gdy powszechnie korzy-
stano z miedzianych grotów roz-
puszczanych przez stop SnPb, taki
krater powstawał bowiem samoist-
nie i zupełnie za darmo w każdej
intensywnie używanej lutownicy.
Jednak porzucając złośliwości mu-
szę przyznać, że minifalą operu-
je się czysto i bardzo wygodnie.
Sposób przyłożenia grota do płyt-
ki prezentują
fot. 63b, c
. Możliwe
są dwa sposoby prowadzenia – od
góry po nóżkach lub po samych
polach lutowniczych, na styk do
wyprowadzeń układu. Wprawdzie
każdy musi eksperymentalnie sam
dojść do optymalnego ułożenia, jed-
nak w moim subiektywnym odczu-
ciu prowadzenie grota bezpośred-
nio po płytce powoduje mniejszą
tendencję do powstawania zwarć.
Jednocześnie jak można zobaczyć
na
fot. 63c
nóżki są dobrze na-
grzewane i zwilżane przez lutowie
penetrujące głeboko pod całe stopy
wyprowadzeń (
fot. 63d
).
Sekwencję czynności związa-
nych z użyciem minifali do mon-
tażu obudowy QFP (e=0,65 mm)
obrazuje
fot. 64.
Zaczynamy od
przygotowania punktów bazowych
(
fot. 64a, b
) i wstępnego osadzenia
układu (
fot. 64c
). Jeszcze raz kon-
trolujemy poprawność ustawienia
zgodnie z zasadą, że lepiej ją trzy
razy sprawdzić i ew. skorygować niż
potem demontować cały układ. Na
wyprowadzenia nakładamy topnik
żelowy, w tym wypadku traktując
go już raczej jako konieczność. Na-
stępnie wypełniamy krater grota na
płasko świeżym lutowiem (
fot. 64e
).
Przed napełnieniem grota należy
bardzo dokładnie usunąć pozostało-
ści starego, utlenionego stopu. Być
może nie wystarczy do tego gąb-
ka i trzeba będzie sięgnąć po ple-
cionkę. Wreszcie przykładamy grot
do pierwszych nóżek i powolnym,
płynnym ruchem przeciągamy przez
całą szerokość układu (
fot. 64f
).
Dobrze wykonana operacja minifalą
powinna się udać za pierwszym ra-
zem, bez pozostawienia zwarć.
W następnym odcinku przyjrzy-
my się jeszcze lutowaniu rozpły-
wowemu za pomocą stacji z na-
dmuchem gorącego powietrza. Na-
stępnie zajmiemy się demontażem
– z jednej strony mniej lubianym,
czasem również bardziej kłopotli-
wym od montażu, ale nieuchron-
nie towarzyszącym uruchamianiu i
wszelkim naprawom elektroniki.
Marek Dzwonnik, (EP)
marek.dzwonnik@ep.com.pl
56
Elektronika Praktyczna 8/2005
[ Pobierz całość w formacie PDF ]