Советы и хитрости монтажа

После того, как вы завершили разработку печатной платы в Altium и платы прибыли, пришло время подумать о том, как собрать платы для проверки. Независимо от того, идет ли речь о массовом производстве или создании прототипов, дизайнер должен быть осведомлен о техниках сборки. Это должно быть частью процесса рецензирования дизайна, чтобы убедиться, что плата была проверена на предмет проблем, связанных с проектированием для сборки (DFA). Основное внимание в этой статье будет уделено ручной сборке, поэтому я поделюсь различными советами и хитростями из своего опыта, такими как выбор трафарета и паяльной пасты, проблемы с температурным дельта-эффектом, пайка компонентов и т.д.

Создание трафарета для паяльной пасты

Прежде всего, использование трафарета для нанесения паяльной пасты значительно экономит время по сравнению с ее дозированием с помощью шприца. Практически все производственные предприятия по изготовлению прототипов печатных плат во всем мире предлагают ультрадешевые безрамные трафареты, или некоторые компании предлагают отдельные услуги по производству недорогих прототипов. Так что, тратить каждую копейку, чтобы не паять вручную каждый отдельный компонент поверхностного монтажа, стоит того, и в то же время это намного проще.

Хотя существуют различные процессы и материалы для производства трафаретов, речь идет просто о наличии отверстий для паяльных площадок на тонком металлическом листе, обычно из нержавеющей стали. В зависимости от минимального размера шага в макете могут использоваться трафареты, изготовленные химическим травлением или лазерной резкой. Химическое травление оптимально, если ваш дизайн содержит компоненты с очень мелким шагом. Минимальные размеры площадок также определяют толщину листового металла, чтобы можно было сохранить правильное соотношение сторон для корректного распределения паяльной пасты. Прототипирование и производство малых партий обычно не требуют рамки вокруг трафарета, если вы не планируете использовать сборочные машины, поэтому выбор безрамного трафарета позволит снизить стоимость.

С другой стороны, если вы больше увлекаетесь DIY и у вас есть доступ к лазерному резаку, вы даже можете произвести трафарет из прозрачных пленок для лазерных принтеров.

Возможно, вы пытались вырезать лист лазером. Это могло не очень хорошо закончиться, приведя к расплавленному беспорядку. Однако здесь на помощь приходят прозрачные пленки для лазерных принтеров, которые могут выдерживать более высокие температуры и имеют примерно подходящую толщину. Все дело в управлении температурой, и есть некоторые хитрости, чтобы улучшить процесс лазерной резки трафарета. Во-первых, поскольку пленки из ацетата легкие, вы не хотите резать непосредственно на лазерном столе, так как они могут легко сдвигаться в процессе. Мое предпочтительное решение - использовать плоский кусок картонной коробки, пропитанный водой, для первого слоя, который покрыт листом обычной копировальной бумаги, также пропитанной водой. На это кладется пленка для транспарантов и еще один лист копировальной бумаги, пропитанный водой. Может показаться, что воды слишком много, но лазерный луч не имеет проблем с водой; напротив, это помогает поддерживать все прохладным, так что трафарет не плавится. Вы можете уменьшить помощь воздуха до минимального уровня, который не высушит бумагу и сохранит линзу чистой.

Снижайте скорость движения, если у вас нет высокопроизводительного оборудования, такого как Trotec или Epilog. Некоторые лазеры могут отскакивать от ремней, что приводит к неточности углов и выдуванию мелких щепок между контактными площадками компонентов с мелким шагом. В качестве последней настройки уровень мощности должен быть установлен так, чтобы он прорезал первый слой картона, но не насквозь, чтобы у вас было достаточно мощности для чистого реза без лишнего нагрева.

Фиксация и нанесение пасты

После того как у вас есть трафарет, крайне важно точно выровнять его на печатной плате. Я использовал дополнительные печатные платы из старых проектов, скрепляя их на своем столе, чтобы сформировать рамку, пока недавно не вырезал из акрилового листа платформу для нанесения трафарета. Не обязательно, чтобы это была вырезанная лазером поверхность, но любая жесткая и плоская поверхность, такая как подкладка для бумаг или разделочная доска, должна подойти для этой же задачи.

Вместо использования остатков печатных плат для удержания платы на моем акриловом листе, я также напечатал на 3D-принтере окантовку для платы с выступом, который гарантирует, что трафарет не будет касаться чего-либо, что находится выше поверхности платы. Плавное прилегание трафарета к верхней поверхности платы поможет уменьшить эффект размазывания, сохраняя контакт трафарета с платой на протяжении всего процесса. Мне также оказалось полезным закрепить трафарет на другой пластиковой подставке, которая служит петлей, позволяя нам аккуратно поднимать его. Не бойтесь использовать дополнительный скотч с противоположного края трафарета, чтобы ничего не сдвинулось, поскольку точное выравнивание при нанесении критически важно. Существует множество способов достичь точного DIY выравнивания, особенно после революции 3D-печати, и это только один из них.

Следующий шаг - нанесение паяльной пасты, но вы должны иметь подходящую пасту. Я предпочитаю использовать серию GC10 от Henkel Loctite с размером сетки T4 или T5, где чем мельче сетка, тем лучше нанесение на маленькие площадки. Эта паста идеально подходит для прототипирования по нескольким причинам. Во-первых, у вас будет более 8 часов времени для сборки, прежде чем паста испортится. Кроме того, для того чтобы она оставалась стабильной при комнатной температуре, не обязательно хранить ее в холодильнике. Хотя качественная паяльная паста дорога, одна банка прослужит вам долго после окончания срока годности. Не волнуйтесь, если паста просрочена - как спасательный хак, вместо того чтобы выбрасывать просроченную пасту, которую трудно нанести через трафарет, вы можете просто добавить немного гелевого флюса в пасту. SMD291 от CHIPQUICK - это, безусловно, лучший выбор для меня среди всех других гелевых флюсов, и я не могу придумать лучшего сочетания, чем просроченная паста, смешанная с просроченным флюсом.

Теперь, когда на всех контактных площадках есть паста, пришло время установить компоненты. Изогнутые пинцеты - мои фавориты, потому что они обеспечивают лучшую видимость и точность при размещении компонентов. Тем не менее, я настоятельно советую избегать дешевых пинцетов из многопакетов любой ценой - они того не стоят. Вам нужны пинцеты из нержавеющей стали или ESD-керамики в 7SA-модели. Мне также нравится, когда на пинцетах есть мягкие накладки, так как это гораздо удобнее во время длительных сборок.

Следите за деталями с помощью Assembly Assistant

Одним из способов отслеживания, куда какая деталь устанавливается, является печать сборочного чертежа. Недавно я попробовал Altium 365 Assembly Assistant, что гораздо практичнее, чем распечатки. Следить за ходом сборки с помощью виртуального размещения на плате и функций поиска с хорошей визуальной обратной связью очень просто. Кликните по ссылке, если хотите попробовать; возможно, вы не захотите возвращаться к распечаткам.

Когда вы перепаиваете плату, поверхностное натяжение помогает вам, давая некоторую свободу в точности размещения. Достаточно, чтобы контакты компонента касались пасты, и деталь выровняется во время перепайки, что облегчает вашу работу при установке мелких компонентов, таких как пакет 0201. Что касается установки микросхем, просто убедитесь, что контакты выровнены с пастой и не касаются соседней площадки, а затем оставьте остальное поверхностному натяжению. Если во время перепайки местоположение не совсем корректно, не волнуйтесь; если вы не уверены, слегка подтолкните микросхему, пока припой еще жидкий, и она вернется на свое место или выскочит из выравнивания. Если она вышла из выравнивания, вы можете поднять ее и установить снова.

Простая температурно-контролируемая станция горячего воздуха для перепайки обычно подходит для большинства плат. Станция перепайки в стиле 858D хорошо служила мне более десяти лет в моей лаборатории; она дешевая и достаточно хорошо справляется с задачей. Только имейте в виду, что ваш стол и ESD-коврик могут расплавиться во время перепайки. Я использую силиконовые выпечные коврики в форме пирамиды, чтобы держать плату теплой и изолировать верхнюю часть стола. Вам не нужно тратиться на печь для перепайки; однако, если вы решите, можете ознакомиться с picoReflow, который является проектом с открытым исходным кодом, управляющим вашей печью.

Процесс пайки рефлоу может стать немного сложнее, если у вас плата с большой тепловой массой, например, с металлическим основанием или множеством слоев тяжелого медного фольги. Для нагрева платы может потребоваться больше времени, что приведет к испарению флюса до того, как припой полностью расплавится. Вам может потребоваться использование предварительного нагревателя, поскольку только станция рефлоу может оказаться недостаточной. Если вы готовы пойти на расходы, JBC производит одни из лучших профессиональных предварительных нагревателей. Я использую относительно недорогую альтернативу Quick 854, которая имеет ограниченную область нагрева и управление. В качестве альтернативы, дешевая электрическая сковорода или гриль Teppanyaki являются бюджетной альтернативой профессиональным предварительным нагревателям; однако, у них плохое управление температурой, которое колеблется между перегревом или недостаточным нагревом.

Если в вашей лаборатории есть предварительный нагреватель, вы можете подумать о его использовании для всего процесса рефлоу. Несмотря на то, что они способны на это, я предпочитаю не использовать их для рефлоу. Вместо этого, я бы хотел использовать их для нагрева платы до температуры замачивания пасты, а затем использовать мою станцию горячего воздуха для выборочного нагрева платы – одна область за раз, что позволяет мне контролировать плавление припоя. Это также сокращает мое время на доработку при сборке, поскольку я могу исправлять любые проблемы по ходу. Это не полная замена много зональной промышленной печи рефлоу. Тем не менее, только небольшой процент моих плат сталкивается с проблемами, такими как tombstoning или неправильное расположение.

Монтаж сквозных компонентов идет последним в процессе сборки. Вы должны начать сборку сквозных компонентов, как только плата остынет до уровня, при котором ее можно обрабатывать, особенно если ваша плата имеет большую тепловую массу. Работа с теплой платой снизит температурный градиент и облегчит вам жизнь во время пайки. Стоит упомянуть, что хорошая паяльная станция очень поможет вам, в дополнение к выбору правильной геометрии жала. Я предпочитаю жала в форме долота, а не конические, которые, как правило, более болезненны, чем стоят того. Если у вас есть сквозные компоненты с большой тепловой массой (например, клеммные колодки), нагрев вывода является большей проблемой, чем нагрев платы. Рассмотрите возможность использования специализированного жала с вогнутой секцией для этих целей. Не важно, если жало больше, чем компонент или вывод; поверхностное натяжение вам сильно поможет. Я с удовольствием использую 3 мм широкое жало для доработки деталей 0402.

Со всеми советами и хитростями, прототипирование с использованием поверхностного монтажа будет намного проще и быстрее, чем прототипирование с использованием сквозных деталей. Попробуйте прототипирование внутри компании; это не займет много времени, пока вы сами держите количество компонентов в разумных пределах. Это также своего рода медитация, и я нахожу это довольно расслабляющим. Следите за дополнительными советами по сборке для большого количества компонентов, сборке с использованием установщика компонентов и так далее.

Независимо от того, нужно ли вам создать надежную силовую электронику или передовые цифровые системы, используйте полный набор функций проектирования печатных плат и мирового класса инструменты CAD в Altium Designer®. Для реализации сотрудничества в современной междисциплинарной среде, инновационные компании используют платформу Altium 365™ для удобного обмена данными проектирования и запуска проектов в производство.

Мы только начали раскрывать возможности Altium Designer на Altium 365. Начните ваш бесплатный пробный период Altium Designer + Altium 365 уже сегодня.