Технология поверхностного монтажа Surface-Mount

Пример конструкции радиоэлектронного узла
со смешанным монтажом

Пример конструкции радиоэлектронного узла
преимущественно с монтажом на поверхность

Разновидности электронных сборок
(класcификация приведена в соответствии с IPC782)
Тип 1В: SMT Только верхняя сторона
Тип 2B: SMT Верхние и нижние стороны
Специальный тип: SMT верхняя сторона в первом случае и верхняя и нижняя во втором, но PTH только верхняя сторона
Тип 1С: SMT только верхняя сторона и PTH только верхняя сторона
Тип 2С: SMT верхняя и нижняя стороны или PTH на верхней и нижней стороне
Тип 2C: SMT только нижняя сторона или PTH только верхняя
Тип 2Y: SMT верхняя и нижняя стороны или PTH только на верхней стороне
Принципы классификации:
1 – монтаж односторонний; 2 – двусторонний
А – монтаж в отверстия; В – монтаж на поверхность; С – смешанный монтаж

Варианты конструкций радиоэлектронных узлов
(по стандарту IPC 782A)

Конструктивные варианты и типы технологических процессов изготовления узлов с КМП (SMD)
Примечание: ИК – пайка инфракрасным излучением; ПФ – пайка в паровой фазе;
ПН – пайка на плоских нагревателях; ВП – пайка волной припоя.

Конструктивные варианты и типы технологических процессов изготовления узлов с ТМП
ТМП +ТМО
КМП1
КМП1
КМП2
КМО
Примечание: ИК – пайка инфракрасным излучением; ПФ – пайка в паровой фазе;
ПН – пайка на плоских нагревателях; ВП – пайка волной припоя.

Технологически маршрут сборки печатных плат

Основные преимущества ТМП
● увеличение плотности монтажа из-за существенно меньших размеров компонентов, возможности их расположения с обеих сторон печатной платы, уменьшения шага расположения выводов вплоть до 0,25 мм, снижения ширины проводников до 0,1 мм. Небольшая высота компонентов – во многих случаях всего 1-1,5мм – позволяет создавать абсолютно плоские конструкции;
● улучшение помехозащищённости, быстродействия и частотных свойств компонентов (паразитная ёмкость и индуктивность уменьшаются в 2-10 раз благодаря практическому отсутствию выводов, уменьшению длины печатных проводников);
● улучшение условий теплоотвода за счёт непосредственного контакта нижней поверхности компонентов с платой;
● исключение таких подготовительных операций при сборке, как обрезка и формовка выводов;
● повышение надёжности межсоединений и устойчивости к механическим воздействиям;
● возможность полной автоматизации сборочно-монтажных работ.

Состояние и тенденции развития элементной базы для поверхностного монтажа
Дополнительная литература:
1. Монтаж на поверхность: Элементная база / В. Н. Григорьев, А. П. Гриненко, А. А. Казаков и др.; Под общ. ред. И. О. Шурчкова. – М.: Издательство стандартов, 1993. – 60 с.
2. Компоненты поверхностного монтажа: Каталог. - М.: ЗАО Предприятие ОСТЕК, 1998. – 52 с.
3. Поверхностный монтаж. Электронные компоненты: Краткий каталог. - М.: ЗАО Предприятие ОСТЕК, 2000. – 44 с.
4. Маркировка электронных компонентов /Под ред. А.В. Перебаскина. – М.: ДОДЭКА, 2004. – 208 с.
5. Электронные компоненты для поверхностного монтажа 2004. Каталог фирмы ООО СМП. – М.: ООО СМП, 2004. – 48 с.
6. Электронные компоненты: Каталог ООО «Фирма Элирон». М.: ИП ООО «Фирма Элирон», 2004. – 26 с.
7.Леухин В.Н. Компоненты для монтажа на поверхность: Справочное пособие. – Йошкар-Ола, МарГТУ, 2006. – 300с.
8. Коды маркировки полупроводниковых SMD-компонентов /Сост. Родин А.В. - М.: СОЛОН-Пресс, 2006. - 256 с.
9 Турута Е.Ф. Активные SMD-компоненты: маркировка, характеристики, замена. – СПб.: Наука и Техника, 2006. – 544 с.
10. Транзисторы в SMD-исполнении. Том 1 и 2. Справочник. /Сост. Ю.Ф. Авраменко. – К.: «МК-Пресс», 2006. Т.1 – 544 с.

Состояние и тенденции развития
элементной базы для поверхностного монтажа

Развитие корпусов микросхем
BGA [ball grid array] — корпус ИМС с массивом шариковых выводов под корпусом
μBGA — корпус микpoBGA с малым шагом выводов
СОВ [chip on board] — кристалл на плате
CSP [chip scale package] — корпус микросхемы с размерам кристалла, кристалл-корпус
DIP [dual-in-line package] — корпус ИМС с двухсторонним расположением штыревых выводов
FC, FCIP [flip chip, flip chip in package] — перевёрнутый кристалл
FCOB [flip chip on board] — перевёрнутый кристалл на плате
PLCC [plastic leaded chip career] — пластмассовый кристаллодержатель с выводами
QFP [quad flat pack] — плоский корпус ИМС с четырёхсторонним расположением выводов
TAB [tape automated bonding] — автоматизированная сборка на ленте-носителе
TCP [topologically close packed] — топологически плотноупакованный корпус ИМС

Эволюция корпусов микросхем

Разновидности корпусов КМП:
Чип резисторы и чип конденсаторы

Конструкция толстопленочного
чип-резистора
1 – Керамическое основание;
2 – Резистивный слой (окись рутения);
3 – Внутренний контактный слой (палладий-серебро);
4 – Барьерный слой (никель);
5 – Внешний контактный слой (сплав олово-свинец);
6 - покрытие из боросиликатного стекла с нанесением несмываемой кодовой маркировки номинала.

Конструкция толстопленочного
чип-резистора
1 – Керамическое основание;
2 – Резистивный слой (окись рутения);
3 – Внутренний контактный слой (палладий-серебро);
4 – Барьерный слой (никель);
5 – Внешний контактный слой (сплав олово-свинец);
6 - покрытие из боросиликатного стекла с нанесением несмываемой кодовой маркировки номинала.

Конструкция толстопленочного
чип-резистора
.

Обозначение основных размеров
чип- компонента

Сопоставительные размеры чип-компонентов (на фоне сетки 1 мм)
.

Уменьшение размеров чип- компонентов

Уменьшение размеров чип- компонентов

Тенденции мирового потребления различных типоразмеров пассивных компонентов

Керамические чип-конденсаторы
NPO (COG) – используется в прецизионных цепях. Имеет очень малые потери при изменениях температуры и близкие к нулю эффекты старения. Низкая диэлектрическая проницаемость не позволяет получить конденсаторы с большой емкостью;
X7R – стабильный диэлектрик с предсказуемой температурной, частотной и временной зависимостью, обладающий высокой диэлектрической проницаемостью;
Y5V (Z5U) – очень высокая диэлектрическая проницаемость и значительный разброс параметров. Рекомендуется для некритичных применений.
Температурно-емкостная характеристика зарубежных диэлектриков

Конструкция танталового конденсатора
Диапазон емкостей – от 0,47 до 220 мкФ при рабочем напряжении от 6,3 до 40 В.
Алюминиевые оксидно-электролитические конденсаторы фирмы Sang Jing выпускаются в диапазоне номиналов от 0,1 до 1500 мкФ при рабочем напряжении от 6,3 до 400 В

Габаритный чертёж корпуса (а) и размеры контактных площадок (б)
алюминиевого оксидно-электролитического конденсатора
.

Обозначение номиналов чип-компонентов
Резисторы:
Маркировка резисторов состоит из трёх цифр для простых и четырёх цифр для высокоточных резисторов, причём последняя цифра означает количество нулей, которые необходимо дописать справа к номиналу в омах. Например: 160 – 16 Ом, 472 – 4,7 кОм, 112 – 1,1 кОм,
106 – 10 МОм, 2741 – 2,74 кОм. Маркировка низкоомных резисторов содержит букву «R», например, 4R7 – 4,7 Ом, 54R9 – 54,9 Ом.
Чип-перемычки, сопротивление которых не должно превышать 0,05 Ом, имеют маркировку 000

Обозначение номиналов чип-компонентов
Конденсаторы:
первые две цифры указывают номинал в пикофарадах, третья цифра – количество добавляемых справа нулей. Например: 105 – 1 мкФ, 153 – 0,015 мкФ.
Электролитические конденсаторы имеют несколько вариантов обозначений:
а) код содержит два или три знака (буквы или цифры). Буквы обозначают напряжение и емкость, а цифра указывает множитель
А А 6
Множитель (106)
Емкость, пФ ( А – 1,0; Е – 1,5; J – 2,2; N – 3,3; S – 4,7; W – 6,8)
Рабочее напряжение, В (G – 4; J – 6,3; A – 10; C – 16; D – 20; E – 25; V – 35)
Перед буквами может ставиться цифра, указывающая на диапазон рабочих напряжений:
0 – до 10 В; 1 – до 100 В; 2 – до 1000 В, например
0Е – 2,5 В; 1J – 63 В; 2D – 200 В;

Обозначение номиналов чип-компонентов
Конденсаторы:
б) код содержит четыре знака (буквы и цифры), обозначающие номинальную емкость и рабочее напряжение. Первая буква обозначает напряжение, две последующие цифры – емкость в пФ, последняя цифра количество нулей. Например:
Е475 – конденсатор емкостью 4,7 мкФ с рабочим напряжением до 25 В. Иногда емкость может указываться с использованием буквы μ: Е4μ7 – обозначение конденсатора, соответствующее вышеприведенному примеру.

Обозначение номиналов чип-компонентов
Конденсаторы:
в) при большом размере корпуса код располагается в две строки. На верхней строке указывается номинал емкости, на второй – рабочее напряжение. При этом емкость может указываться в микрофарадах или пикофарадах с указанием количества нулей.
Обозначение конденсатора емкостью 10 мкФ
на рабочее напряжение 20 В:
10 = 106
20V 20V

Корпус типа MELF
(Metal Electrode Face Bonded)
.
Малогабаритный диодный корпус SOD (Small Outline Diode)
Разновидности корпусов КМП:

Конструкция корпуса типа MELF
.

Резисторные и конденсаторные сборки

Малогабаритные транзисторные корпуса SOT (Small Outline Transistor)

Габаритные размеры корпусов типа SOT
SOT-23 (KT-46)
SOT-89 (KT-47)
SOT-143 (KT-48)

Корпус для мощных транзисторов типа ТО-252

Корпуса транзисторов по стандарту EIAJ (Electronic Industries Association of Japan)

Корпуса транзисторов по стандарту EIAJ

Разновидности корпусов транзисторов фирмы NEC

Разновидности корпусов транзисторов

Конструкция выводов корпусов микросхем

Разновидности корпусов микросхем с двусторонним расположением выводов в форме крыла чайки
а – корпус типа SOIC; б – корпус типа SOP;
в – корпус типа SSOIC; г – корпус типа TSOP
а б
в г

Обозначение корпусов для микросхем
Корпуса типа SOIC (Small Outline Integrated Circuit) и SOP (Small Outline Packages) с двусторонним расположением выводов в форме крыла чайки (рис. 2.9.а, 2.9б). Шаг расположения выводов у этого типа корпусов 1,27 мм, количество выводов – от 6 до 42. Дальнейшим развитием корпусов подобного типа явилось создание корпуса SSOIC (Shrink Small Outline Integrated Circuit) с уменьшенным до 0,635 мм расстоянием между выводами при максимальном их количестве 64 (рис. 2.9.в) и корпуса TSOP (Thin Small Outline Packages) с уменьшенной до 1,27 мм высотой корпуса (рис. 2,9.г) и уменьшенным до 0,3 – 0,4 мм расстоянием между выводами;
Другие разновидности корпусов этого типа:
SSOP, TSSOP, MSOP

Корпус микросхемы с J-образными выводами
Корпуса типа SOJ (Small Outline with «J» leads) с двусторонним расположением выводов J-образной формы, загнутых под корпус. Шаг расположения выводов – 1,27 мм, общее их количество – от 14 до 44.

Отечественные корпуса микросхем
Габаритные размеры корпусов подтипа 43 (аналог SOIC)

Корпус микросхемы с J-образными выводами
и четырехсторонним расположением выводов
(PLCC и PLCC-R) PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier)
Корпуса подобного вида имеют значительный по современным меркам шаг расположения выводов – 1,27 мм и в связи с этим большие геометрические размеры.
Количество выводов квадратного корпуса – от 20 до 124, у прямоугольного – от 18 до 32

Разновидности корпусов микросхем
с четырехсторонним расположением выводов в форме крыла чайки (QFP)

Характеристики корпусов типа QFP
Корпуса типа QFP (Quad Flat Pack) и SQFP (Shrink Quad Flat Pack), имеющие выводы в форме «крыла чайки», равномерно распределенные по четырем сторонам (рис. 2.11.а). Существует также разновидность корпуса в форме прямоугольника – SQFP-R (рис. 2.11.б). Шаг расположения выводов достаточно мал – всего 0,3 – 0,5 мм, что позволяет создавать корпуса с общим количеством выводов до 440;

Направления развития микрокорпусов
Поэтому для решения проблемы коммутации кристаллов микросхем в настоящее время выход ищут в следующих направлениях:
переход к технологии СОВ (Chip On Board) и Flip Chip (метод перевернутого кристалла), при которой кристалл разваривается непосредственно на печатную плату;
переход к технологии ТАВ (Tape Automate Bond) – крепление кристалла на ленточном носителе;
переход к корпусам типа BGA (Ball Grid Array) – матрице шариковых выводов из припоя;
переход к многокристальным модулям МСМ (Multi Chip Module), которые представляют собой объединение нескольких кристаллов на миниатюрной подложке (печатной плате) внутри одного корпуса.

Матричные корпуса для микросхем
На сегодняшний день разработаны следующие типы матричных корпусов:
PBGA – Plastic Ball Grid Array – пластмассовые корпуса с матрицей шариковых выводов;
CBGA – Ceramic Ball Grid Array – керамические корпуса с матрицей шариковых выводов;
CCGA – Ceramic Column Grid Array – керамические корпуса с матрицей столбиковых выводов;
TBGA – Tape Bold Grid Array - матричные ТАВ корпуса
CSP (Chip-scale Packages) – корпус, соизмеримый с размером кристалла.

Конструкция корпуса типа BGA
0,36…0,6
0,8…1,2
Печатная плата корпуса BGA
Золотой проводник
Компаунд с наполнением Ag
Кристалл
Эпоксидный компаунд
Направляющее
отверстие
Припойная маска
Основание печатной платы
1,27
Шарики припоя
62 Sn36Pb2Ag или 63Sn37Pb
0,4 …0,6

Простая система в корпусе BGA

Матричный корпус типа BGA
Вид снизу на корпус типа BGA
Матрица шариковых выводов может быть полной и неполной. Минимальный размер матрицы – 3х3 (размер корпуса 7х7 мм), максимальный размер матрицы – 33х33 (размер корпуса 50х50 мм)
Шаг расположения шариков от 1,27 мм до 0,5 мм

КОРПУСА типа CSP (Chip Scale Package)
.
Развитие технологии изготовления корпусов BGA привело к созданию корпусов CSP (Chip Scale Package), содержащих два (а) и более (б) кристаллов (рис. 1). Причем конструктивно CSP-корпус может быть выполнен с жесткой печатной платой (rigid-interposer type), гибкой печатной платой (flexible-interpaser type) или с заказной выводной рамкой (custom lead frame type).
Исключение печатной микроплаты и размещение шариковых выводов непосредственно на контактных площадках в верхнем слое металлизации кристалла позволило создать наиболее перспективную конструкцию CSP-корпуса, в которой после формирования шариковых выводов кристалл микросхемы заливают тонким слоем пластмассы и монтируют на печатную плату так же, как корпус BGA (рис. 2).
В микросхемах с малым количествам выводов габариты корпуса превышают размеры кристалла всего на 1 мм, а в микросхемах с большим количеством выводов они определяются размерами матрицы выводов для пайки на плате. Толщина современных CSP корпусов может достигать 0,3 мм.

КОРПУСА типа CSP
.

Микросхемы в корпусах FC (FCIP flip chip — перевёрнутый кристалл)

Эффективность использования площади печатной платы при монтаже микросхем в различных корпусах

QFP 900 мм2 - 100%
TAB/TCP 400 мм2 — 44%
COB/BGA 225 мм2 — 25%
FCIP/CSP 115 мм2 —13%
FC/FCOB 100 мм2 —11%
На сегодняшний день разработаны следующие типы матричных корпусов:
PBGA – Plastic Ball Grid Array – пластмассовые корпуса с матрицей шариковых выводов;
CBGA – Ceramic Ball Grid Array – керамические корпуса с матрицей шариковых выводов;
CCGA – Ceramic Column Grid Array – керамические корпуса с матрицей столбиковых выводов;
TBGA – Tape Bold Grid Array - матричные ТАВ корпуса
CSP (Chip-scale Packages) – корпус, соизмеримый с размером кристалла.

Эффективность использования площади печатной платы при монтаже микросхем в различных корпусах
.

Топологические возможности корпусов различного типа
600
800
1000
1200
0
20
40
60
80
100
120
140
PDSO
PLCC
DIP
2.5мм
1,25мм
1,25мм
0,8мм
0,65мм
P-QFP
TCP
0.5мм
0,4мм
0,3мм

Нестандартные корпуса для компонентов неправильной формы

Этапы развития микрокорпусов
BGA [ball grid array] — корпус ИМС с массивом шариковых выводов под корпусом
μBGA — корпус микpoBGA с малым шагом выводов
СОВ [chip on board] — кристалл на плате
CSP [chip scale package] — корпус микросхемы с размерам кристалла, кристалл-корпус
DIP [dual-in-line package] — корпус ИМС с двухсторонним расположением штыревых выводов
FC, FCIP [flip chip, flip chip in package] — перевёрнутый кристалл
FCOB [flip chip on board] — перевёрнутый кристалл на плате
PLCC [plastic leaded chip career] — пластмассовый кристаллодержатель с выводами
QFP [quad flat pack] — плоский корпус ИМС с четырёхсторонним расположением выводов
TAB [tape automated bonding] — автоматизированная сборка на ленте-носителе
TCP [topologically close packed] — топологически плотноупакованный корпус ИМС

Прогноз развития микроэлектронных технологий
Примечание: МП – микропроцессор; ДЗУПВ – динамическое запоминающее устройство с произвольной выборкой; СпИС – специализированная интегральная схема

Направления развития микрокорпусов
Дальнейшее развитие микрокорпусов – в направлении уменьшения шага выводов и габаритных размеров, увеличения общего количества выводов. Освоенными в настоящее время являются корпуса микросхем с шагом выводов 0,4 и 0,25 мм при общем количестве 500-600 выводов. Однако корпуса с шагом выводов 0,4 и менее требуют весьма бережного обращения из-за малой жесткости выводов, что предъявляет высокие требования к сборочным автоматам и резко повышает их стоимость. В состав автоматов должны входить системы технического зрения для проверки компланарности выводов и центровки корпуса перед монтажом.

Матричные корпуса для микросхем
На сегодняшний день разработаны следующие типы матричных корпусов:
PBGA – Plastic Ball Grid Array – пластмассовые корпуса с матрицей шариковых выводов;
CBGA – Ceramic Ball Grid Array – керамические корпуса с матрицей шариковых выводов;
CCGA – Ceramic Column Grid Array – керамические корпуса с матрицей столбиковых выводов;
TBGA – Tape Bold Grid Array - матричные ТАВ корпуса
CSP (Chip-scale Packages) – корпус, соизмеримый с размером кристалла.

Максимальное количество выводов корпусов при заданном шаге
Площадь корпуса при числе выводов 300 и заданном шаге

Рост уровней плотности компоновки