Ручной монтаж сложных плат на компонентах 0402, 0603, QFN, LQFP и THT

    Приветствую!



    Сегодня речь пойдет о том, как добиться высокого качества монтажа на платах с большим количеством компонентов — до 1500шт (можно и больше при плотном монтаже или при сборке 1-2 плат одновременно — не более). Потребность в таком сложном монтаже обычно возникает при изготовлении первого макета или нескольких образцов, чтобы убедиться в правильности трассировки печатной платы (основных сложных моментов) или же при разовом производстве. После получения такого макета можно начинать отлаживать программное обеспечение и вносить корректировки в плату. Заводская сборка, в этом случае, не совсем подходит из-за ее стоимости, подготовки конструкторской документации, подборки компонентов, сроков, макетирования и многого другого (под катом картинки на 8Мб).



    Рис. 1. Готовая печатная плата с компонентами 0402 (обратная сторона).

    Итак, начнем с того, что определим, что нам понадобиться. Весь поверхностный монтаж будет производиться феном и паяльной пастой, так как это в разы быстрее и качественнее чем паяльником и припоем в проволоке.

    1. Паяльная станция (например, Lukey 852D+ с насадкой 10мм).
    2. Тонкий немагнитный пинцет (для установки компонентов).
    3. Пинцет с широким захватом (для нанесения паяльной пасты).
    4. Флюс (например, Amtech NC-559-ASM, или другой безотмывочный).
    5. Паяльная паста (Solder paste W001).
    6. Хороший свет и стол.
    7. Кисточка/ванночка/спирт для промывки печатной платы.

    В процессе станет понятно что есть что, так что тут заострять внимание не будем. Для начала выполним все приготовления и поймем технологию пайки. Для того, чтобы спаять две поверхности, их необходимо сначала залудить, затем прислонить друг к другу, нагреть и после того, как олово полностью расплавится — остудить. Это вкратце. Качественная пайка не имеет вкраплений, раковин, трещин и имеет однородную структуру. Остывание припоя должно происходить в неподвижном состоянии, только в этом случае он застынет правильно.
    Паяльную пасту необходимо немного доработать. Для того, чтобы она хорошо накладывалась и растекалась равномерным слоем ее необходимо разбавить с флюсом в пропорции примерно 2:1 (хорошо размешать в однородную массу). В некоторых случаях пропорция может изменяться, например, если все контактные площадки имеют большую площадь, то припой должен быть несколько гуще и наоборот.



    Рис. 2. Паяльная паста.

    Для того, чтобы пошагово объяснить весь процесс монтажа спаяем часть небольшой платы на которой расположены различные компоненты. Первое, что необходимо сделать (если плата только с производства и чистая) — это нанести на нее припой. Самый простой и быстрый, при определенной сноровке, способ — это нанесение широким пинцетом (или шпателем). Ниже приведены слайды процесса нанесения припоя. За один раз необходимо брать небольшое количество припоя и аккуратно равномерным и тонким слоем наносить его на плату (как лопаткой). Нет необходимости наносить его исключительно на контактные площадки, в процессе прогрева, из-за большого количества флюса, лишнее олово перейдет на контактные площадки либо превратиться в шарики, которые необходимо перенести на контактные площадки вручную (далее будет описано как это делать).






    Рис. 3. Процесс нанесения припоя на плату.

    Расстановка компонентов. Не все компоненты можно расставлять сразу после нанесения паяльной пасты. Например, элементы в корпусах LQFP с шагом выводов меньше чем 0,8 мм необходимо ставить немного позже — уже после первого прогрева феном, в противном случае, будут короткие замыкания между выводами, которые будет сложно удалить (конечно можно использовать «оплетку», но попробуем обходиться без нее). Итак, в первую очередь установим SMD конденсаторы, резисторы, диоды и т.д, компоненты в QFN корпусах. Для этого нам необходим тонкий немагнитный пинцет. Для быстрого и удобного поиска компонентов я использую поиск в Altium Designer (проект, соответственно сделан там же). Поиск компонентов выполняется слева направо, сверху вниз, выбираем компонент, например, конденсатор 100n, находим их все и устанавливаем на плату.







    Рис. 4. Установка компонентов на плату.

    Если необходимо собрать несколько плат, то лучше устанавливать компоненты сразу на 2 или 4 платы, так как в этом случае уменьшается вероятности ошибки установки компонентов не на те места, также это значительно уменьшит общее время сборки. Для того, чтобы упростить сборку, компоненты могут быть помещены в кассу, тогда их удобнее доставать и быстро запоминается их местонахождение. После того, как все необходимые компоненты установлены можно приступать к прогреву и непосредственно пайке. Плата должна лежать на ровной поверхности, которая не боится сильного нагрева. В левой руке необходимо держать фен, в правой пинцет. Температура (выставленная на индикаторе) приблизительно 390 град. — это довольно высокая температура, но именно для этой станции такое значение является нормальным (также, если нет специальных ограничений по температуре пайки компонентов). Процесс пайки сводится к прогреву отдельных частей платы (делать это нужно как можно равномернее), на которых стоят компоненты, избегая перегревов и «вспучивания» текстолита. Для плат с маленьким количеством больших полигонов и 4-слоек температуру необходимо уменьшить до 360 град. Во время прогрева необходимо следить за тем, как плавится олово и одновременно пинцетом поправлять компоненты на контактных площадках. Особенно следите за компонентами типоразмера 0402, так как они начинают «плыть» на флюсе и могут перемешаться на плате. В процессе пайки олово скатывается в шарики, а между некоторыми контактными площадками образуются «залипоны» убирается это все с помощью компонента (например, конденсатора), захваченного пинцетом (главное запомнить с какого места взят компонент). Он собирает на себя лишнее олова, которое потом можно перенести на большие контактные площадки. Все это необходимо делать при прогреве платы, пока не высох флюс (его можно нанести отдельно если что-то не получилось с первого раза). После пайки первой партии компонентов плата выглядит примерно так:



    Рис. 5. Первый прогрев.

    Я намеренно не стал устанавливать SOIC, чтобы показать как удобнее его паять. Перед установкой компонентов в LQFP и SOIC необходимо нанести тонкий стой флюса на (залуженные!) контактные площадки — это сделает пайку более качественной. Далее устанавливаем оставшиеся компоненты. Замечу, что чем меньше шаг выводов у компонентов, тем точнее их нужно позиционировать. Например, STM32F107 в корпусе LQFP64 во время прогрева будет не поднять пинцетом, так как если он сдвинется хотя бы на половину шага выводов (а это всего 0,25 мм), то олово зальется на соседние контактные площадки. SOIC можно будет приподнять для предварительного прогрева платы, так же это актуально для компонентов в пластиковом корпусе (реле, разъемы, оптопары и т. д.). При втором прогреве уже нет необходимости прогревать всю плату, можно ограничиться теми местами, где установлены необходимые компоненты. После пайки и промывки плата выглядит так:



    Рис. 6. Второй прогрев.

    Данная плата имеет двухсторонний монтаж. При пайке компонентов с другой стороны нижние (установленные ранее) начнут съезжать. Чтобы этого не происходило, необходимо установить плату на монтажные стойки (закрепить в держателе) или поставить несколько разъемов, чтобы избежать соприкосновения уже припаянных компонентов с поверхностью. Для качественной пайки выводных компонентов, тоже имеется пару ухищрений. Я всегда использую припой с флюсом (например RA-0,5), диаметром, соответственно, 0,5 мм. Чтобы получилось правильное затекание припоя между металлизированным отверстием и выводом компонента необходимо, чтобы во время непосредственно процесса пайки всегда соприкасались четыре предмета: паяльник, контактная площадка, вывод компонента и припой, а делается это так: прислоняем паяльник к выводу так, чтобы он одновременно касался пояска «пада», затем подносим припой и прислоняем его к паяльнику, как можно ближе к выводу компонента и «паду». В результате этого припой будет затекать в разогретое отверстие и образует небольшой «наплыв», после чего необходимо убрать припой, а затем паяльник от вывода и «пада».




    Рис. 7. Пайка выводных компонентов.

    В следующей статье я расскажу про установку BGA компонентов (BGA84, BGA78, BGA620 и даже BGA1084) с помощью фена. А также плюсы и минусы установки BGA при помощи специализированной инфракрасной паяльной станции.
    PS: Если есть какие-либо советы на тему ручного монтажа, с удовольствием выслушаю, также могу подсказать, если что-то осталось неясным.
    Поделиться публикацией
    AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

    Подробнее
    Реклама
    Комментарии 71
    • +7
      Первая картинка весьма заинтриговала — паять вручную такую титанический труд!
      Под катом все гораздо прозаичнее…
      • +13
        Первая спаяна вручную. Всего было спаяно таких плат примерно 10 шт.
        • 0
          Вы плату изображенную на картинке для привлечения внимания — паяли вручную?
          • +2
            Да все компоненты, кроме основного чипа BGA1084, запаяны вручную. Именно на этой плате основной чип запаян на станции (по сути тоже вручную). Были еще совсем первые платы 2шт — на них даже процессор запаян феном.
          • 0
            Первая картинка — это не STB какой нибудь случайно? :)
            • 0
              Он самый DVB-T2/C на Android
        • 0
          А как насчет трафарета для нанесения паяльной пасты? Не пробовали?
          • 0
            Не пробовали, но я думал об этом и пришел к выводу, что это не имеет смысла, так как первые две итерации одноразовые (следовательно и трафареты), а 70% времени уходит на расстановку компонентов, а не на нанесение пасты.
            • 0
              Я не думал, что с такими мелкими компонентами и расстояниями можно обойтись без трафарета!
              • 0
                Если нужно за 2 дня запустить плату, то возможно все)
            • +3
              Я трафарет делал на лазере:
              we.easyelectronics.ru/RuslanPopov/delaem-pochti-zavodskuyu-platu.html
              • 0
                Это очень хорошая идея! Респект!
            • 0
              А можно еще видео процесса сделать? Ну чтобы полностью погрузиться в атмосферу?)
              • +1
                Да, когда буду снова паять что-нибудь красивое — обязательно сниму и выложу видео.
              • 0
                Во сколько оцените (ну, например, кто-то со стороны заказал) ручной монтаж десятка плат с первой картинки? Ну, чтобы сравнить, насколько это дешевле получится, чем в автомате…

                P.S. А с компонентами 0201 работаете таким образом?
                • 0
                  В личку напишу.
                  • 0
                    А можно и мне в личку?
                    • 0
                      Да, позже напишу (не знаю как в личку писать из приложения))
                  • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                    • 0
                      Да, так и есть.
                      • 0
                        Ну, все не совсем так.
                        Еще летом (в Китае, конечно) можно было вполне сделать десяток таких плат на автомате дешевле, чем автор статьи делал их вручную. Сейчас-то, конечно, увы.
                        Нужно еще учесть, что такие платы обычно бывают многослойными, и даже тот же Резонит вполне может захотеть их делать в Китае, а не в Зеленограде. Компоненты обычно тоже из Китая заказываются. Так что в комплексе (ПП, БОМ, SMD монтаж на автомате) десяток сложных плат сделать в Китае было до недавнего времени однозначно дешевле, чем здесь.
                        • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                    • 0
                      Интересно, а можно ли научить/доделать 3D-принтер до уровня, когда он это сможет делать сам? То есть в него вгоняется схема монтажа, плюс ленты с материалами, а он их шлёпает куда надо.

                      И чтобы штучными тиражами, а не потоком.
                      • 0
                        Это не 3D, a CNC. Делают такие расстановщики даже в домашних условиях.
                        • 0
                          ммм… установщики, конечно есть уже…
                          а вот, например если печатать компоненты, например пассив — это тема )
                          • 0
                            Компоненты врят ли, а вот представить себе процесс печатания дорожек (прям медью, либо порошком, либо тонкими ленточками) можно.
                            • 0
                              На CES2015 показали 2 таких Voltera и Voxel8
                            • 0
                              Да, я думаю у всех такие идеи возникали. На кикстартерах постоянно всплывают проекты всяческих ручек, маркеров, и даже картриджей для струйников, заправленных токопроводящими чернилами. Проблемы там обычно такие:
                              • Конская цена, т.к. в качестве металла используется измельченное серебро.
                              • Либо высокое удельное сопротивление, т.к. в качестве проводящего материала используются частицы графита.


                              Проекта в котором использовались бы чернила на основе меди, измельченной до наночастиц, в комбинации с припоем и флюсом, мне не попадались. На мой взгляд, фатальная ошибка подобных проектов в том, что не предполагается термообработка нанесенных чернил, очевидно по тому, что они позиционируются как средство создания цепей на бумаге, которую особо не погреешь. Если бы кто-то следал чернила, которые можно наносить на текстолит и запекать для образования дорожек, он бы поднял много бабла.
                              • 0
                                Запекать можно ИК методом, тогда можно и на бумаге (но она может все равно прогорит — придется это делать на воде)) ), встает вопрос о многослойках и переходных отверстиях. Второй вопрос в том, как закреплять на бумаге эту «паутину».
                              • 0
                                Так умеем печатать и пассив, и транзисторы. Это же обычная технология изготовления интегральных микросхем. Осталось только сделать доступным мелкосерийное производство устройств на единственном чипе.

                                В принципе, большинство калькуляторов и других мелких безделушек, которые штампует китаепром так и устроены —
                                один кляксо-чип на плате (без корпуса, залитый черным компаундом).
                                image
                              • 0
                                Хотелось бы всё вместе, включая пайку/флюс и т.д.
                                • 0
                                  Тогда это уже сборочная линия)
                                  • 0
                                    Смена инструмента — вместо пинцета тюбик с пастой или паяльник и готово :)
                              • +6
                                Очень спорные рекомендации, на мой взгляд.
                                У меня совершенно другой опыт пайки всевозможных плат.

                                Если кратко, то:
                                1. Пасту покупать в шприце и ничем не размешивать. Главное — правильно её хранить, чтобы флюс не испарялся.
                                2. Если плата с HASL, то никакого дополнительного припоя перед пайкой не нужно. На площадках и так уже достаточно припоя.
                                3. Чтобы не морочиться с феном, если компоненты на пасте, то всё замечательно паяется в э… самодельной печке. Иначе паяльником получается быстрее, чем паста+фен (особенно при таком размашистом нанесении пасты, как у Вас). Феном только безвыводные компоненты с термопадами.

                                Хотя, на самом деле, всё очень сильно зависит от квалификации монтажника.
                                • 0
                                  Я думаю кто как привык, но спасибо!
                                  • 0
                                    Если нет трафарета, то чище будет пневмодозатором наносить. Не будет лишней пасты и не будет «залипух» при маленьком шаге между выводами. Не будет потом странных шариков, которые, как металлические опилки, могут что-то «коротнуть». Без пневмодозатора--обычный шприц с укороченной иглой--то же очень быстро сноровку приобретаешь.
                                    • 0
                                      я пробовал шприц, но пинцетом реально быстрее. По поводу пневмодозатора задумался.
                                  • 0
                                    Кстати, 0402 не реально паяльником при плотности монтажа как на второй картинке…
                                    • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                                      • 0
                                        Паяльником такой ровной пайки не выйдет, а если потом обдувать феном, то в чем профит?) Про запайку BGA таким методом нет ни слова, читайте текст… и для чего делать платы без маски, если я делаю и паяю платы только с маской? Я Вам так скажу, что без маски по 5 классу Вы в принципе не запаяете быстро… это займёт очень много времени и колоссального опыта.
                                        • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                                          • 0
                                            Я не каждую детальку ставлю феном, а все сразу! Весь пассив и ещё 80% микросхем. Остальное тащат второй прогрев. Это большая разница.
                                            Я паял раньше без маски, но потом понял что качество намного ниже.
                                            • 0
                                              тащат = за
                                              • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                                            • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                                              • 0
                                                И то и то одновременно.
                                                • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                                        • 0
                                          Дополню про хранение пасты — не допускать нагрева емкости выше где-то 50 градусов. Проще говоря, при пайке закрывать и убирать банку с пастой подальше. В противном случае есть риск дунуть пару раз феном по банке, чего будет достаточно для превращения всего содержимого банки в своеобразный монолит.
                                        • +2
                                          От картинки, где на плату уже нанесена паста, хочется рыдать. По работе первое время немало тестовых плат было замонтажено подобным образом, но не до такой же степени — паста наносится ТОЛЬКО на площадки, спичкой на худой конец или шприцом с толстой иглой. Качественно пропаять LQFP и TQFP таким образом невозможно
                                          • +3
                                            Около 4 лет паяю платы именно так. LQFP и TQFP паяю ТОЛЬКО так. Проблем никогда нет, паяю с первого раза, «залипоны» бывают крайне редко. Если нужно нанести спичкой пасту на 1500 компонентов — то это на сутки минимум )))) А если плат 10-20.
                                          • 0
                                            АРМы, плисины(plis) и прочая нечисть, имхо, проще паять не воздушкой, а специальным жалом(волной).Т.к процы не очень любят перегрева. С непривычки (не опытности) можно пожечь чипы.
                                            Так же, от себя добавлю: некоторые вещи на плате есть смысл фиксировать специальным термоскотчем.
                                            P.s опыт пайки bga и smd компонентов >5 лет
                                            Придерживать компоненты очень удобно обычной деревянной зубочисткой.
                                            • +2
                                              ПЛИС, это Программируемая Логическая Интегральная Схема. По-английски будет FPGA — Field-Programmable Gate Array, или PLD — Programmable Logic Device. Но точно не plis.
                                              • +1
                                                Ок,Oк. Писал одно, думал о другом) Altera например. Очень маленькое расстояние между выводами. На пасту нужно паять крайне осторожно иначе получаем слипание в 2 счета
                                                • 0
                                                  А я вот много видео видел, где такие вещи паяют нанесением паяльной пасты колбаской на 4 стороны с последующим прогревом феном, и ничего не слипалось. Думаю попробовать перейти на такой метод, т.к. при пайке волной лишний припой часто налипает на крайние пины и растащить бывает сложно. Приходится наность еще припой, намазывать флюсом, и уже образовавшуюся каплю снимать оплеткой.
                                                  • 0
                                                    Дык если припоя много и на жале паяльника много налипло уже, конечно, последние выводы будут залипшими.
                                              • +1
                                                Я тоже зубочисткой держу, но она подгарает, и уголь смешивается с флюсом в такую… эээ… субстанцию, которую потом трудно отмывать…
                                                • 0
                                                  BGA чем паяете?
                                              • 0
                                                Если лично для себя в качестве хобби то наверное вполне разумно(и то я бы поставил PHY в выводном корпусе и все запаял паяльником), но если это у вас на производстве такая практика то грустно.
                                                • 0
                                                  Нет, мы дизайн-центр электроники, периодически есть необходимость делать макеты (об этом сказано в тексте).
                                                • 0
                                                  Вакуумный пинцет кстати здорово ускоряет процесс. Стоит не так дорого, а расстановка компонентов в 2-3 раза быстрее, а если еще и дозатор для паяльной пасты с компрессором есть — так вообще песня…
                                                  • 0
                                                    Спасибо за совет! Попробую.
                                                  • 0
                                                    Я, для пайки прототипов, в начале облуживаю плату обычным припоем и паяльником с широким жалом. Чтобы бугорки припоя были ровными лучше плату немного подогреть. Потом мажу тонко флюсом и расставляю компоненты на облуженные площадки. После установки отправляю в китайскую печку.
                                                    Паяю так 0603 и чипы с любым шагом. Думаю 0402 тоже без проблем запаяется. Очень редко, чтобы какой-нибудь компонент сдвинулся или случился залип.
                                                    Пробовал вместо облуживания наносить пасту через трафарет. Проблема в том, что если много деталей то расстановка занимает много времени и паста успевает подсохнуть, что приводит к плохой пайке.
                                                    Раньше вместо печки использовал фен, как автор поста, но все таки воздух двигает легкие компоненты и приходится постоянно править их пинцетом. С печкой все намного проще.
                                                    • 0
                                                      Какая плотность монтажа? Компоненты 0402 при нагреве в печке начинают немного съезжать, а расстояния очень маленькие, но может просто у меня нет сноровки память таким методом.
                                                      • 0
                                                        Минимальное расстояние, которое я делал для резисторов 0603, было 0.3мм между ними.
                                                        Чтобы компаненты не слипались, нужно облуживать равномерно. Для 4-х и более слоев не хватает температуры паяльника и земляные площадки плохо лудятся, но если плату предварительно подогреть градусов до 100, то все получается идеально.
                                                        Для чипов с термопадом снизу, лучше площадку под термопад не лудить совсем, а положить на нее немного паяльной пасты.
                                                        0402 так не разу не паял, возможно этот метод к ним и не подойдет.
                                                        Двустороний монтаж тоже не проблема, мелкие детальки сами не отпадут, а что-то крупное и тяжелое специальным скотчем крепится.
                                                        • 0
                                                          Я как-то пробовал оближивать, а потом расставлять, думаю нужно ещё раз повторить. У меня сложности начинались именно с 0402, так как даже на тонком слое флюса они плывут до того, как начинает плавиться припой. Когда элементов 20-30 это ещё ладно, но когда 200-300 на несколькимих см^2… а ещё с разными номиналами.
                                                          • 0
                                                            А какие флюсы используете?
                                                            Я остановился на таком
                                                            • 0
                                                              Там в тексте есть. Я остановился на Amtech NC-559-ASM (это не для BGA)
                                                        • 0
                                                          Если что-то съехало, то это не беда. Значит было припоя с излишком. Плату потом все равно просматривать нужно. Если что-то покорежено--можно феном прогреть локально и пинцетом подправить, подтолкнуть чуть-чуть. Поверхностное натяжение олова само все сделает и все выровняет.
                                                      • 0
                                                        Для убирания припойных перемычек между выводами микросхем не обязательно использовать оплетку — достаточно достаточно густо смазать «жирным» флюсом, типа того же NC-559-ASM-TPF, после чего провести плоским (а еще лучше — слегка вогнутым, с «ямкой») жалом. Но, если работаете коническим жалом, то с оплеткой быстрее, чем менять.
                                                        • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь

                                                          Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.