W tym artykule chcę ujawnić swój mały sekret: montaż płytek prototypowych w technologii SMT (technologia montażu powierzchniowego) jest nie tylko łatwy, lecz także wymaga bardzo niewielkiej ilości sprzętu. Używając tylko szablonu, można z łatwością ręcznie tworzyć prototypy układów scalonych o rozstawie 0,3 mm i elementów pasywnych o rozmiarze 0201 (imperialnym). Maleńkie komponenty mogą z pewnością stanowić wyzwanie, ale większość prototypów, które są regularnie produkowane, można zmontować ręcznie w ciągu kilku godzin, dzięki czemu uzyskuje się wyniki o jakości produkcyjnej, łącznie z płytkami dwustronnymi. Jeśli obecnie ręcznie montujesz płytki SMT za pomocą stacji lutowniczej, warto od razu zrezygnować z tej technologii i zacząć używać szablonu.
Większość tanich producentów obwodów drukowanych oferuje również usługę dostarczenia szablonu bez ramki za mniej więcej 5–25 USD, w zależności od rozmiaru płytki. Szablony i płytki, których używam w tym artykule, zostały zakupione w firmie JLCPCB. Inni dostawcy również oferują porównywalne szablony. Jeśli płytki zostały zamówione w pośpiechu u lokalnego dostawcy, na większości kontynentów istnieją firmy, które sprzedają tanie szablony bez ramki wykonane z Kaptonu, octanu lub stali nierdzewnej. Alternatywnie, jeśli dysponujemy wycinarką laserową CO2, można łatwo wykonać szablon z arkusza przezroczystego papieru kserograficznego. Opis tej procedury wykracza jednak poza ramy niniejszego artykułu.
Korzystanie z szablonu sprawia, że montaż płytki SMT wybacza wiele błędów, jest znacznie szybszy i o wiele łatwiejszy niż lutowanie każdego komponentu. Szablon umożliwia montaż przy użyciu komponentów, które nie nadają się do lutowania ręcznego, takich jak komponenty BGA lub pakiety bezołowiowe z polem lutowniczym pod ich środkiem, którego po prostu nie można dosięgnąć lutownicą. Używając prostych narzędzi przy znacznie mniejszym wysiłku niż indywidualne lutowanie każdego komponentu, można wyprodukować płytkę, która wygląda, jakby zeszła z linii pick and place, i to w czasie krótszym niż czas potrzebny na wycenę zadania pick and place.
Niezależnie od tego, jak dobrze (lub słabo) wyposażone jest laboratorium elektroniczne, montaż własnych płytek wymaga bardzo niewielkiej ilości sprzętu, aby osiągnąć fantastyczne rezultaty. Prawdopodobnie masz już potrzebne materiały lub możesz je bez problemu bardzo tanio zdobyć. Proces ten jest równie odpowiedni dla początkujących studentów, jak i dla profesjonalnych inżynierów zajmujących się szybkim przygotowaniem prototypów w międzynarodowych firmach.
Oprócz narzędzi i potrzebnych materiałów niezbędne jest bardzo dobre oświetlenie miejsca pracy. W przeciwnym razie praca z małymi komponentami może szybko doprowadzić do zmęczenia oczu. Ja dysponuję dwoma panelami oświetleniowymi LED zaprojektowanymi do wideografii, które są zamontowane nad stołem roboczym. Niezwykle przydatna może być również dobrej jakości lampa powiększająca. Jeśli nie pracujemy z wystarczająco małymi komponentami, aby trzeba było korzystać z funkcji powiększenia, wyjęcie soczewki z lampy zapewni lepsze widzenie, ponieważ oddech nie zaparuje soczewki!
Na początek potrzebna będzie pasta lutownicza – Loctite/Henkel GC 10 w siatce T4 to doskonała pasta do ręcznej pracy SMT. Może być przechowywana w temperaturze pokojowej i zapewnia wiele godzin ręcznego montażu SMT, a jednocześnie umożliwia poprawny reflow płytki. Jest to bezołowiowy materiał lutowniczy SAC305, który zapewnia doskonałe wyniki.
Do pracy z pastą lutowniczą i późniejszego czyszczenia potrzebne będą rękawiczki nitrylowe. Ten etap może powodować trochę bałaganu, ale o wiele łatwiej jest wyrzucić parę rękawiczek niż próbować wyczyścić lepką pastę lutowniczą.
Do czyszczenia pasty lutowniczej będzie potrzebne trochę izopropanolu, znanego również jako alkohol do wcierania lub alkohol izopropylowy. Dzięki temu czyszczenie szablonu nie będzie stwarzać problemów. Potrzebne będą również papierowe ręczniki do wycierania elementów.
Aby nałożyć pastę, potrzebny będzie jakiś rodzaj rakla. Zazwyczaj używam kawałka plastiku wielkości karty kredytowej, takiego jak niechciana karta członkowska w sieci sklepowej. Należy unikać używania metalowych rakli, takich jak skrobak lub szpatułka, ponieważ mogą one spowodować uszkodzenia płytki. Jeśli to możliwe, używany rakiel powinien być bardziej miękki niż materiał szablonu. W ten sposób cenny szablon nie zostanie uszkodzony, a rakiel zawsze łatwo można wymienić na nowy.
Aby precyzyjnie wykonać montaż płytki, potrzebny będzie rodzaj mocowania o tej samej grubości co płytka. W tym artykule korzystam z obramowań wydrukowanych w 3D, można jednak użyć laserowo wyciętego akrylu o grubości 1/16 cala lub zapasowej/złomowanej płytki PCB. Zaletą korzystania z moich obramowań wydrukowanych w 3D jest to, że dodałem wargę na zewnątrz. Dzięki temu taśma maskująca, której używam do montażu obramowań, znajduje się niżej niż górna część obramowania. Obramowanie nie tylko precyzyjnie utrzymuje płytkę w miejscu, lecz także zapewnia wsparcie dla szablonu. Dzięki temu nie może się on zginać ani odrywać od płytki drukowanej podczas pracy.
Na potrzeby tego artykułu użyję wycinanej laserowo płytki akrylowej do montażu płytki drukowanej, ale jest to przede wszystkim dla mojej wygody. W przeszłości prawie zawsze po prostu przyklejałem wszystko do biurka! Nadaje się do tego każda taśma maskująca, ja jednak używam ładnej i cienkiej taśmy 3M o szerokości 1,5 cala – jest szersza niż typowa taśma maskująca, co znacznie ułatwia pracę.
Po nałożeniu pasty na płytkę potrzebna będzie dobrej jakości pęseta, aby rozmieścić komponenty. Ja używam pęsety Swanstrom 7-SAH, która ma duży wyściełany uchwyt, dzięki czemu jest wygodna w użyciu przez dłuższy czas. Pęsety takie są wykonane z wysokiej jakości stali nierdzewnej, która nie wygina się łatwo, gdy używamy ich do zdzierania taśmy maskującej z komponentów SMT.
Po rozmieszczeniu komponentów SMT na płytce trzeba podgrzać płytkę, aby stopić materiał lutowniczy. Nie trzeba do tego używać żadnych wymyślnych narzędzi – wystarczy przerobiony piec do pizzy / opiekacz lub patelnia elektryczna. Osobiście zazwyczaj używam taniej stacji 858D do pracy z gorącym powietrzem, co oznacza, że podczas podgrzewania muszę przesuwać ją po płytce, aby stopić materiał lutowniczy. W rezultacie reflow każdej płytki trwa nieco dłużej, jest to jednak niedrogie narzędzie, które już mam. Mam również silikonową matę do gotowania, która chroni moją matę ESD i stół roboczy przed gorącem. Jeśli wybrana płytka ma bardzo duże wlewy masy, grubą miedź lub wiele warstw masy, to niedroga patelnia elektryczna sprawdzi się bardzo dobrze jako podgrzewacz. Narzędzie do obróbki gorącym powietrzem może następnie zostać użyte do doprowadzenia materiału lutowniczego do właściwej temperatury w procesie reflow.
Zaczynam od utworzenia obramowań PCB na stole roboczym. Chcemy, aby obramowanie było ciasno dopasowane ze wszystkich czterech stron i w pełni unieruchomiło płytkę, na którą będzie nakładana pasta. Podparcie należy wykonać ze wszystkich stron i powinno mieć taką samą grubość jak sama płytka, aby utrzymać szablon po umieszczeniu go na górze płytki.
Używam taśmy maskującej do przytrzymywania obramowań, ponieważ taśma jest cienka i łatwa do usunięcia po zakończeniu pracy.
Po utworzeniu obramowania należy przykleić szablon SMT taśmą. Za pomocą taśmy buduję zawias z tyłu szablonu, który utrzyma go w precyzyjnie określonym położeniu na polach lutowniczych. Jeśli pracujemy z bardzo małymi elementami, wyrównanie ma kluczowe znaczenie. Pole lutownicze 0201 może zostać całkowicie pominięte, jeśli wyrównanie szablonu będzie nawet nieznacznie nieprawidłowe. Na szczęście pozycjonowanie szablonu jest łatwe – wystarczy przesuwać go krok po kroku, aż przez każdy otwór szablonu będzie widoczny jasny błyszczący metal i nie będzie widać maski lutowniczej.
Tył szablonu SMT będzie również wymagać odpowiedniego podparcia, aby wykonany tam zawias z taśmy był dokładnie na tej samej wysokości, co płytka PCB, na którą nakładamy pastę. Gdy szablon SMT jest idealnie wyrównany, zamocuj go w tylnej części za pomocą taśmy maskującej. Umożliwi to podniesienie szablonu z płytki bez rozmazywania świeżo nałożonej pasty.
Każdy, kto zetknął się już z sitodrukiem, nie będzie mieć żadnych problemów z nakładaniem pasty lutowniczej – to dokładnie ten sam proces. Jeśli jest to dla Ciebie coś nowego, nie martw się. To bardzo łatwe!
Najpierw nabierz na rakiel dość dużo pasty lutowniczej. Ja zamiast rakla używam kawałka plastiku wielkości karty kredytowej, używając jej wąskiej strony, aby nacisk był równomierny na całej szerokości narzędzia. Nabierana na rakiel pasta powinna pokrywać stosunkowo równomiernie całą jej szerokość.
Jedną ręką mocno przytrzymaj szablon do obramowania, aby leżał idealnie płasko i we właściwej pozycji na płytce. Nie podnoś ani nie poruszaj tej ręki, dopóki nie skończysz!
Zacznij rozprowadzać raklem pastę od otworu szablonu po przeciwnej stronie. Pastę należy najpierw nałożyć na nieobciętą część szablonu nad obramowaniem, a nie na otwór szablonu. Następnie przeciągnij rakiel do siebie, mocno go naciskając. Nadmiar pasty, który zostanie na raklu, należy wcisnąć w szablon. Pozostawienie na szablonie rozmazanej pasty lutowniczej po zakończeniu jej nakładania jest całkowicie dopuszczalne. Nie wolno zostawiać niewypełnionych otworów w szablonie. Jeśli tak się stanie, trzeba nałożyć pastę ponownie, zwracając uwagę, aby szablon dobrze przylegał i nie poruszał się.
Gdy wszystkie otwory szablonu zostaną poprawnie wypełnione, wykonaj końcowe jego czyszczenie trzymanym pionowo raklem. W ten sposób usuwamy nadmiar pasty lutowniczej. Wszystkie otwory szablonu powinny zostać wypełnione po brzegi pastą lutowniczą. Jeśli podczas tego kroku będziesz naciskać rakiel zbyt mocno, usuniesz część pasty lutowniczej z otworu i na niektórych polach lutowniczych będzie jej za mało. Generalnie lepiej jest, gdy na płytce jest za dużo pasty lutowniczej niż za mało.
Gdy szablon będzie względnie czysty (nie powinno to zająć więcej niż jednego przejścia rakla), odłóż brudny rakiel na ręcznik papierowy. W tym momencie jedna ręka powinna nadal wywierać nacisk na szablon – dopiero teraz możesz przygotować się do jego usunięcia. Podnieś przednią część szablonu prosto do góry, utrzymując nacisk na pozostałą część szablonu. Zwalniaj nacisk naj szablon powoli, podnosząc go tak prosto, jak to możliwe. Unikaj poruszania szablonem na boki, ponieważ spowoduje to rozmazanie pasty lutowniczej.
Po całkowitym usunięciu szablonu z płytki można sprawdzić nałożenie pasty lutowniczej. Pasta powinna tworzyć wyraźne krawędzie na każdym polu lutowniczym. Jeśli pasta została rozmazana (pamiętaj, aby dokładnie sprawdzić najdrobniejsze pola), trzeba zacząć jej nakładanie od nowa. W tym celu trzeba całkowicie wytrzeć pastę lutowniczą z płytki za pomocą ręcznika papierowego nasączonego izopropanolem i wrócić do początku procesu. Tak samo trzeba postąpić, jeśli pola lutownicze mają wyraźne krawędzie, ale pomiędzy nimi zostały smugi pasty lutowniczej. Oznacza to, ze szablon został poruszony podczas nakładania pasty. Również w tym przypadku trzeba dokładnie wyczyścić płytkę i spróbować ponownie.
Po opanowaniu techniki nakładania pasty i podnoszenia szablonu projekty SMT rzadko będą kończyć się niepowodzeniem i zwykle nie będzie potrzeby czyszczenia płytki z pasty.
Zanim rozpoczniesz rozmieszczanie komponentów SMT na płytce, umieść ręcznik papierowy w miejscu, w którym znajdowała się płytka drukowana, a następnie wyczyść szablon ręcznikiem papierowym nasączonym izopropanolem. O wiele łatwiej jest od razu wyczyścić szablon niż robić to później, gdy pasta lutownicza jest twarda jak skała i jej usunięcie jest prawie niemożliwe!
Każdy, kto ma doświadczenie w ręcznym lutowaniu komponentów do płytki drukowanej, pokocha ten następny krok. Dlatego, że jest to takie proste w porównaniu z tradycyjnym montażem.
Teraz musimy tylko przejrzeć nasze zestawienie materiałów i umieścić komponenty na płytce. Korzystanie z zakrzywionej pęsety znacznie to ułatwia, ponieważ nie trzeba tak dobrze planować kolejności umieszczania. Taka pęseta umożliwia dosyć swobodne umieszczanie komponentów SMT na płytce.
Sugeruję, aby najpierw dokładnie obejrzeć swoją płytkę w widoku 3D za pomocą programu Altium. Umożliwia to ocenę, które komponenty mogą przeszkadzać w rozmieszczaniu innych, i zaplanowanie ich umieszczania w ostatniej kolejności. Jeśli na płytce są obszary o dużym zagęszczeniu komponentów, należy umieścić w nich najpierw najbardziej problematyczne i trudno dostępne komponenty. Komponenty SMT, takie jak rezystory i kondensatory, mogą być umieszczane jako ostatnie w tych obszarach, ponieważ ich wyrównanie jest łatwiejsze. Jeśli dostęp do ich pól lutowniczych jest trudny, można je po prostu upuścić w odpowiednim miejscu lub najbliżej takiego miejsca, jak to tylko możliwe, a następnie popchnąć je we właściwe miejsce.
Umieść największe komponenty, takie jak cewki indukcyjne, aluminiowe kondensatory i złącza do montażu powierzchniowego, jako ostatnie – takie elementy najbardziej przeszkadzają w umieszczaniu innych komponentów SMT.
Rozmieszczanie komponentów jest ważnym, ale nie krytycznym elementem całego procesu. Ogólnie rzecz biorąc, dopóki nóżki komponentu dotykają pasty lutowniczej, wyrównanie jest wystarczająco dobre. Sprawia to, że komponenty bezołowiowe są łatwiejsze w montażu, niż można by się spodziewać. Można przyjąć, że jeśli komponent jest w miarę poprawnie umieszczony nad układem pól lutowniczych, uporządkuje się sam, gdy materiał lutowniczy się rozpuści. Po umieszczeniu każdego komponentu na płytce należy go delikatnie docisnąć do pasty, aby zapewnić dobry kontakt z topnikiem. Utrudnia to również przypadkowe przesunięcie komponentów z ich pól lutowniczych podczas pracy. Jeśli komponenty mają dobry kontakt z lepkim topnikiem, zmniejsza to również prawdopodobieństwo przypadkowego zdmuchnięcia ich z płytki podczas jej podgrzewania za pomocą gorącego powietrza!
Jeśli masz problem z drżeniem rąk, umieszczenie najmniejszych elementów może być prawdziwym wyzwaniem. Jeśli mam problem z idealnym wyrównaniem części, używam lewej ręki do usztywnienia pęsety, trzymając ją w prawej ręce. Taka dwuręczna obsługa pomaga zredukować wszelkie drgania i umożliwia precyzyjniejsze ruchy. To naprawdę pomaga w umieszczaniu najdrobniejszych i najmniejszych komponentów.
Po poprawnym umieszczeniu wszystkich komponentów na płytce czas na naprawdę najprzyjemniejszą część projektu: podgrzewanie płytki.
Jak wspomniałem wcześniej, na potrzeby tego artykułu używam bardzo taniej stacji lutowniczej na gorące powietrze, aby pokazać, jak niedrogi i łatwy może być ten proces. Gdy moja płytka znajduje się na silikonowej macie do gotowania, zaczynam ją podgrzewać za pomocą stacji lutowniczej gorącego powietrza ustawionej na 350°C i maksymalny przepływ powietrza.
Zacznij od podgrzania płytki za pomocą stacji lutowniczej na gorące powietrze, trzymając ją w rozsądnej odległości od płytki i przesuwając po wszystkich jej obszarach. Na początek trzeba po prostu rozgrzać całą płytkę, doprowadzając ciepło do większych miedzianych obszarów i wylewek. Jeśli na płytce znajdują się duże cewki indukcyjne lub transformatory, należy je również rozgrzać, ponieważ będą one wymagać dużej ilości ciepła. Podczas podgrzewania płytki zobaczysz, że pasta lutownicza staje się błyszcząca, ponieważ topnik zaczyna stawać się płynniejszy. W tym momencie celem jest podgrzanie płytki, ale nie na tyle, by topnik został usunięty.
Gdy cała pasta lutownicza będzie błyszcząca, należy zbliżyć wylot gorącego powietrza ze stacji lutowniczej do płytki, ale nie bliżej niż do około 35 do 50 mm. Nie zbliżaj go zbyt blisko płytki – urządzenie jest nastawione na zbyt wysoką temperaturę i gorące powietrze może uszkodzić elementy SMT lub PCB. Można także zdmuchnąć niektóre małe komponenty z pól lutowniczych, zanim stopi się materiał lutowniczy! Zacznij pracować pistoletem, wykonując małe okręgi nad pierwszym zestawem elementów. Próbujemy teraz doprowadzić komponenty i ich pola lutownicze do temperatury topnienia materiału lutowniczego i podgrzać wszelkie duże wylewki miedzi, aby reflow na wszystkich pinach nastąpił w tym samym czasie. Nigdy nie używam podkładek termicznych na żadnej z moich płytek i nie mam absolutnie żadnych problemów, aby reflow następował równomiernie przy użyciu tego mało zaawansowanego technologicznie podejścia.
Uwielbiam patrzeć, jak pasta lutownicza topi się i staje się błyszcząca, a komponenty centrują się na swoich polach lutowniczych. Gdy materiał lutowniczy na każdym polu lutowniczym całkowicie się stopi, należy ogrzewać dany obszar przez dodatkowe 2 lub 3 sekundy, zanim powoli zaczniemy rozgrzewać sąsiednie obszary. Nie wolno zbyt szybko zaprzestać ogrzewania, bo materiał lutowniczy ostygnie zbyt szybko. Nie można też tego robić zbyt długo, gdyż grozi to nadmiernym utlenieniem materiału lutowniczego.
Jeśli nie masz pewności, czy materiał lutowniczy stopił się pod komponentem bezołowiowym, użyj pęsety, aby go delikatnie popchnąć. Komponent spoczywający na stopionym materiale lutowniczym odpłynie na bok, a następnie wróci na miejsce na skutek działania napięcia powierzchniowego. Komponent, który leży na niestopionej paście lutowniczej, nie odsunie się tak łatwo i nie wróci na miejsce, gdy odsuniesz pęsetę.
Jeśli komponent SMT nie został poprawnie wycentrowany i ustawił się pod dziwnym kątem podczas procesu reflow, można go po prostu przesunąć za pomocą pęsety do punktu, w którym nastąpi jego właściwe wyrównanie. Gdy materiał lutowniczy jest roztopiony, komponenty można łatwo przemieszczać po płytce za pomocą pęsety. Napięcie powierzchniowe stopionego materiału lutowniczego sprawi, że komponenty będą znajdować się bezpośrednio nad ich polem lutowniczym, gdy będą ustawione we właściwym położeniu i będzie żadnych zmostkowanych pinów. Jeśli pojawią się zmostkowane piny, można to naprawić później za pomocą topnika i lutownicy lub poprzez podniesienie elementu z płytki, gdy materiał lutowniczy jest roztopiony, a następnie umieszczenie go ponownie na miejscu. Zmostkowane piny są zwykle oznaką, że na płytce było zbyt dużo pasty lutowniczej.
Podczas naprawiania problemów należy uważać, aby dany obszar nie był podgrzewany zbyt długo. Może to spowodować nadmierne utlenianie się materiału lutowniczego, co może skutkować złą jakością połączenia. Jeśli pojawi się problem, którego nie da się naprawić w kilka sekund, i uważasz, że nie da się go później naprawić za pomocą stacji lutowniczej, po prostu zostaw go na razie. Kiedy reflow płytki zostanie zakończony, można nałożyć topnik żelowy na komponenty w obszarze, który trzeba będzie podgrzewać, a znajdujące się w pobliżu elementy zamaskować taśmą Kapton. Wtedy można ponownie przeprowadzić proces reflow tego obszaru. Topnik żelowy zapewni czas na naprawienie błędów i oczyści materiał lutowniczy z możliwych tlenków. Ostrzegam: topnik żelowy może być bardzo brudzący i trzeba nastawić się na dużo czyszczenia.
W przypadku tej konkretnej płytki zapomniałem zamówić jeden element, którym jest kondensator. Na szczęście miałem niewykorzystany kondensator o tej samej wartości znamionowej, który pozostał z innego projektu SMT. Jedynym problemem było to, że był on znacznie mniejszy. W związku z tym musiałem tylko przylutować ten kondensator później, ale znacznie łatwiej jest lutować komponenty na płytce, gdy jest jeszcze ciepła po procesie reflow. Jeśli chcesz dodać jakieś części przelotowe lub wprowadzić poprawki w ostatniej chwili, zawsze warto zrobić to, gdy płytka jest jeszcze rozgrzana.
Aby wykonać lutowanie na płytce dwustronnej, trzeba przeprowadzić dokładnie tę samą procedurę dla drugiej strony. Trzeba wtedy albo zbudować podparcie dla płytki, aby zrobić miejsce na przylutowane już na dolnej stronie komponenty, albo po prostu wyciąć kieszeń w podstawie, tak jak zrobiłem to z moją płytką akrylową używaną do tego PCB. Warto najpierw wykonać lutowanie na tej stronie, która ma mniej krytyczne znaczenie i najmniejsze komponenty. Unikniemy w ten sposób problemów z odpadającymi komponentami, ponieważ napięcie powierzchniowe stopionego materiału lutowniczego utrzyma je w właściwej pozycji. Dlatego lepiej zostawić bardziej złożoną stronę płytki na drugie nagrzewanie.
Jeśli masz obawy, że elementy dolnej części płytki zostaną odłączone lub zmienią swoje ustawienie podczas drugiego nagrzewania, użyj na drugiej stronie pasty lutowniczej z cyną bizmutową. Jej temperatura topnienia jest znacznie niższa niż w przypadku pasty SAC305, co oznacza, że materiał lutowniczy na spodniej stronie nawet nie zauważy ciepła, gdy nastąpi już poprawny reflow pasty SnBi.
Mam nadzieję, że ten artykuł pokazał, jak łatwo można wykonać poprawny reflow SMT płytki drukowanej za pomocą prymitywnych, tanich narzędzi laboratoryjnych i mimo to uzyskać wysokiej jakości wyniki. Wiele osób, które same nie próbowały korzystać z szablonu, wyraża zdumienie, że można ręcznie pracować z komponentami 0201 lub bardzo drobnymi komponentami bezołowiowymi. Ale prawda jest taka, że każdy może to samodzielnie zrobić. Prosty szablon i wysokiej jakości pasta lutownicza zapewniają doskonałe rezultaty w technologii SMT. Zapomnij o stacji lutowniczej – istnieją znacznie wydajniejsze sposoby umieszczania komponentów na płytce niż lutowanie każdego elementu osobno.
Narzędzia projektowe w programie Altium Designer® zawierają wszystko, czego potrzebujesz, aby być na bieżąco z technologią SMT. Porozmawiaj z nami już dziś i dowiedz się, jak możemy usprawnić Twój kolejny projekt PCB.