Как плату собирают

Голая плата — полдела. Компоненты нужно поставить на места и припаять так, чтобы каждое соединение было надёжным. Сборку тоже надо учитывать при проектировании: от того, как ты разместишь компоненты и нарисуешь посадочные места, зависит, получится ли собрать плату автоматически и без дефектов.

Поверхностный монтаж (SMT)

Почти все современные платы собирают на линии поверхностного монтажа. Пять основных шагов:

1. Нанесение паяльной пасты. Паяльная паста — смесь мелкого порошка припоя и флюса, консистенцией похожа на зубную пасту. Её наносят через трафарет (stencil): тонкий лист нержавеющей стали (обычно 0,1–0,15 мм) с вырезанными лазером окнами точно над площадками. Ракель проводит пастой по трафарету, и паста остаётся только на площадках.

Аналогия — граффити по трафарету: краска ложится только там, где есть прорезь.

2. Контроль пасты (SPI). На серьёзных линиях камера проверяет объём и положение пасты на каждой площадке. Большинство дефектов пайки — это дефекты пасты.

3. Установка компонентов (pick and place). Автомат-установщик берёт компоненты из лент и катушек вакуумными пинцетами и ставит их по координатам из файла установки (pick and place, centroid), который ты выгрузишь из Altium (урок 10.5). Совмещение идёт по реперным знакам (fiducials) на плате (урок 5.10). Липкая паста удерживает компоненты до пайки.

4. Пайка оплавлением (reflow). Плата медленно едет через печь с несколькими зонами нагрева. Паста плавится, припой смачивает площадки и выводы, а силы поверхностного натяжения даже немного подтягивают компоненты на место.

5. Оптический контроль (AOI). Камеры сравнивают плату с эталоном: все ли компоненты на месте, правильно ли развёрнуты, нет ли перемычек. Паяные соединения, скрытые под корпусом (BGA, QFN с теплоотводящей площадкой), проверяют рентгеном.

Если компоненты стоят с двух сторон платы, цикл повторяют для второй стороны. Тяжёлые компоненты при этом ставят так, чтобы при втором проходе они не отвалились.

Термопрофиль

Рис. 4.8. Ориентировочный профиль оплавления бессвинцовой пасты SAC305. Сначала плату плавно нагревают, потом выдерживают около 150–190 °C, чтобы всё прогрелось равномерно и активировался флюс. Затем коротко поднимают температуру выше точки плавления (~217 °C) до пика 235–250 °C и охлаждают. Точный профиль задаёт даташит пасты, а предел для компонентов — их паспорт (обычно не выше 260 °C).

Профиль — это график «температура — время», по которому плата проходит печь. Его задают по даташиту пасты, а проверяют по паспортам компонентов. Зоны:

• нагрев — плавный подъём, чтобы не было термоудара и не «взрывались» пузырьки флюса;
• выдержка (soak) — плата и все компоненты прогреваются равномерно, флюс активируется и счищает окислы;
• оплавление — короткое время выше температуры плавления припоя. Для бессвинцового сплава SAC305 (олово, 3 % серебра, 0,5 % меди) плавление начинается около 217 °C, пик обычно 235–250 °C, время выше плавления — порядка минуты;
• охлаждение — контролируемое, чтобы соединения получились мелкозернистыми и прочными.

Для сравнения: традиционный свинцовый припой Sn63Pb37 плавится при 183 °C, поэтому свинцовый профиль заметно «холоднее». Бессвинцовая пайка горячее, отсюда требования к Tg и Td платы (урок 4.2). Пиковая температура не должна превышать допустимую для компонентов: по классификации J-STD-020 это обычно до 260 °C.

⚠️Внимание

Многие микросхемы в пластиковых корпусах впитывают влагу из воздуха. При резком нагреве в печи она вскипает и разрывает корпус изнутри (эффект «попкорна»). Такие компоненты имеют уровень чувствительности к влаге (MSL), их хранят в герметичной упаковке с влагопоглотителем, а вскрытые — просушивают перед пайкой по J-STD-033.

Выводные компоненты (THT)

Разъёмы, крупные конденсаторы, трансформаторы часто остаются выводными: они механически прочнее.

• Пайка волной (wave). Плату с установленными компонентами проводят над «волной» расплавленного припоя. Быстро, но вся нижняя сторона омывается припоем, поэтому SMD-компоненты снизу должны выдерживать волну или быть защищены.
• Селективная пайка. Маленькая волна или сопло паяет только заданные точки. Нужна, когда снизу много SMD-компонентов.
• Ручная пайка. Для прототипов, мелких партий и доработки. Именно так ты будешь собирать первые платы курса. Пайка выводных компонентов с хорошей площадкой и металлизированным отверстием даёт прочное соединение: припой затекает внутрь отверстия.

Хоровиц обращает внимание на тепловую сторону: выводные компоненты «под печатный монтаж» отдают тепло через выводы в медь платы. Для мощных деталей это значит, что широкие площадки и полигоны вокруг выводов работают как радиатор (урок 5.8).

Статическое электричество

📖Из учебникагл. 3, §3.15, с. 177–179, табл. 3.7

У МОП-транзисторов затвор отделён от канала тончайшим слоем окисла, поэтому статический разряд от руки пробивает его необратимо. Таблица 3.7 у Хоровица показывает: человек, прошедший по ковру в сухом помещении, накапливает напряжение до десятков тысяч вольт, а во влажном — в разы меньше. Рецепт защиты: заземлённые рабочие места и браслеты, антистатическая одежда, контроль влажности, ионизаторы воздуха и обученный персонал. Как только компонент впаян в схему, риск резко падает.

Для домашней сборки: работай на антистатическом коврике или хотя бы на деревянном столе, перед работой касайся заземлённого металла, носи антистатический браслет, храни микросхемы в антистатических пакетах и не держи их за выводы.

Приёмка: IPC-A-610

Как и для голых плат, для собранных есть стандарт приёмки — IPC-A-610, с теми же классами 1, 2, 3 (урок 4.6). В нём с фотографиями показано, какой должна быть галтель припоя, насколько компонент может сместиться с площадки, какие пустоты допустимы. Требования к самому процессу пайки — материалы, методы, квалификация — описывает родственный стандарт J-STD-001.

🛠Особенность Altium

В Altium окна трафарета под пасту — это слои Top Paste и Bottom Paste. Их размер относительно площадки задаёт правило Paste Mask Expansion (категория Mask). Обычно окно равно площадке или немного меньше её, а у больших теплоотводящих площадок (например, у QFN) окно делят на несколько квадратов, чтобы паста не выдавила компонент вверх. Файл координат для установщика и перечень элементов (BOM) Altium формирует как выходные данные проекта (уроки 10.4 и 10.5).

Практика

1. Почему трафарет делают из металла толщиной 0,1–0,15 мм, а не толще? (Толщина задаёт объём пасты: слишком толстый трафарет даёт перемычки на мелком шаге.)
2. По рисунку 4.8 найди время выше 217 °C и пиковую температуру. Что будет, если пик поднять до 270 °C? (≈ 50 с, ≈ 245 °C; выше допустимого для многих компонентов по J-STD-020, риск их повредить.)
3. На плате снизу много SMD-компонентов и три выводных разъёма. Каким способом паять разъёмы на производстве? (Селективной пайкой или вручную.)

🧯 Типичные ошибки

Компонент 0402 встал «на попа» (эффект надгробия, tombstoning)

Почему Паста на двух площадках расплавилась не одновременно: разные площадки, разный теплоотвод (например, одна площадка подключена к полигону).

Как исправить Делай симметричные площадки, подключай их к полигонам через термобарьеры (урок 5.6), следи за профилем.

Микросхема QFN «плавает» и не пропаялась по краям

Почему На большую центральную площадку нанесли слишком много пасты, и компонент поднялся.

Как исправить Дели окно трафарета центральной площадки на несколько частей (обычно паста покрывает примерно 50–80 % её площади, по IPC-7525 и рекомендациям производителей) — правило Paste Mask Expansion или ручные окна на слое Paste.

Новые МОП-транзисторы перестали работать после ручной сборки

Почему Статический разряд пробил затвор.

Как исправить Антистатический браслет и коврик, заземлённый паяльник, хранение в антистатической упаковке.

Проверь себя

1. 1. Для чего нужен трафарет (stencil) при сборке?

   Чтобы нанести паяльную пасту только на площадкиЧтобы нанести паяльную маскуЧтобы нанести шелкографию
2. 2. Около какой температуры начинает плавиться бессвинцовый припой SAC305?

   ≈ 183 °C≈ 217 °C≈ 300 °C
3. 3. Чем проверяют паяные соединения под корпусом BGA?

   Обычной лупойAOI сверхуРентгеном
4. 4. Какой стандарт описывает критерии приёмки собранных плат?

   IPC-A-600IPC-A-610IPC-4101

🎯Практическое задание~25 мин

Найди даташит любой бессвинцовой паяльной пасты (у крупных производителей паст они в открытом доступе) и выпиши рекомендуемый профиль: скорость нагрева, температуру и время выдержки, время выше плавления, пик, скорость охлаждения. Нарисуй его поверх рисунка 4.8 и отметь отличия. Потом найди у выбранного производителя плат условия услуги сборки (PCBA): какие файлы он просит и какие компоненты ставит из своего склада.