Монтаж электронных компонентов — виды монтажа на плату, способы пайки, типы корпусов

Монтаж электронных компонентов — это технологический процесс установки и фиксации радиоэлектронных элементов на печатной плате или в составе устройства с целью обеспечения электрического соединения и механической прочности конструкции. Данный процесс является одним из ключевых этапов производства радиоэлектронной аппаратуры, поскольку от выбранного метода монтажа зависят надежность изделия, его габаритные параметры, тепловые характеристики, а также экономическая эффективность массового выпуска.

В этой статье мы подробно разберем основные виды монтажа электронных компонентов, их особенности, области применения и поможем понять, какой метод подходит для конкретной задачи.

Виды монтажа на печатные платы

Печатная плата – это основа практически любого современного электронного устройства. Она представляет собой диэлектрическое основание с нанесенными на него токопроводящими дорожками, которые соединяют компоненты в единую электрическую схему.

Однако сама по себе плата – лишь «скелет» устройства. Его «жизнь» начинается с процесса монтажа – установки и закрепления электронных компонентов на плату с целью формирования функционального электронного модуля.

Существует несколько ключевых технологий монтажа, которые можно классифицировать по способу установки компонентов на плату.

• Монтаж в отверстия, THT (Through-Hole Technology)
  Выводы компонентов вставляются в сквозные металлизированные отверстия на плате и припаиваются с обратной стороны.
• Поверхностный монтаж, SMT (Surface-Mount Technology)
  Компоненты размещаются на контактных площадках на лицевой стороне платы и припаиваются к ним.

Монтаж печатных плат – это критически важный этап производства, напрямую влияющий на надежность, производительность и стоимость конечного продукта. Выбор правильной технологии монтажа определяется множеством факторов: от сложности схемы и размеров компонентов до тиража и требований к механической прочности.

Монтаж в отверстия (THT)

Монтаж в отверстия (THT) – это классическая, исторически первая технология, которая до сих пор находит активное применение. Его суть заключается в том, что выводы деталей вставляются в предварительно просверленные металлизированные отверстия и затем припаиваются с обратной стороны дорожек.

THT часто путают с DIP. THT — это технология монтажа, DIP — это конкретный тип корпуса для сквозного монтажа.

Процесс монтажа:

• Выводы компонента вручную или автоматически (на установочных машинах) вставляются в соответствующие сквозные металлизированные отверстия на плате. Излишки выводов обрезаются.
• Соединение чаще всего выполняется методом волновой пайки. Плата с установленными компонентами перемещается над волной расплавленного припоя, которая касается только нижней стороны платы, припаивая выводы одновременно.

Преимущества THT:

• Высокая механическая прочность. Компоненты надежно закреплены в отверстиях, что критично для крупных, тяжелых деталей (разъемы, большие конденсаторы) или устройств, работающих в условиях вибрации.
• Удобство монтажа. Компоненты легко вставляются и выпаиваются вручную, что идеально для создания макетов, ремонта и любительской электроники.
• Хорошее теплоотведение. Выводы, проходящие через плату, могут эффективно отводить тепло на медные полигоны или радиаторы на обратной стороне.

Недостатки THT:

• Низкая плотность монтажа. Из-за отверстий снижается полезная площадь платы, они занимают место с обеих сторон платы, это не позволяет создавать компактные устройства.
• Сложность автоматизации. Для массового производства требуются громоздкие установочные машины, т.к. необходима более сложная и дорогая подготовка подложки (сверление, металлизация).

Несмотря на конкуренцию со стороны поверхностного монтажа, сквозная технология остается востребованной в силовой электронике, промышленной автоматике, военной и аэрокосмической технике, где надежность механического крепления более критична, чем другие факторы.

Поверхностный монтаж (SMT)

Поверхностный монтаж (SMT) – это современная технология установки электронных компонентов непосредственно на поверхность печатной платы без использования сквозных отверстий. В отличие от традиционной технологии сквозного монтажа (THT), SMT позволяет размещать элементы с обеих сторон платы и значительно увеличивать плотность компоновки.

Поверхностный монтаж стал промышленным стандартом в массовом производстве электроники благодаря возможности высокой автоматизации и миниатюризации изделий.

SMT и SMD это не одно и то же. SMT — технология монтажа на поверхность платы, аа SMD (Surface Mount Device) сам компонент для SMT, то есть устройство, предназначенное для поверхностного монтажа.

Процесс монтажа:

• На контактные площадки на плате через трафарет наносится паяльная паста (смесь мелких шариков припоя и флюса).
• Автоматические машины для захвата и размещения (pick-and-place) с высокой скоростью и точностью расставляют компоненты (резисторы, конденсаторы, микросхемы) на паяльную пасту.
• Затем плата проходит через печь оплавления с несколькими зонами. Поэтапно, сначала паста разогревается, затем флюс активируется и потом припой плавится (происходит "оплавление"), формируя надежное паяное соединение. В конце плата проходит зону охлаждения.

Преимущества SMT:

• Высокая плотность монтажа. Технология позволяет размещать компоненты с обеих сторон платы с очень малым шагом, что критично для современных миниатюрных микросхем.
• Высокая степень автоматизации. Процесс полностью автоматизирован, технология обеспечивает полную совместимость с линиями, что в свою очередь обеспечивает высокую скорость и низкую себестоимость при массовом производстве.

Также, меньшая длина выводов снижает паразитную индуктивность и емкость, улучшая характеристики ВЧ-устройств.

Недостатки SMT:

• Низкая механическая прочность соединения. По сравнению с THT, соединение менее устойчиво к сильным вибрациям и ударам, не всегда подходит механически нагруженным или массивных элементам, или требующим значительный теплоотвод.
• Сложность ручного монтажа и ремонта. Требует точности позиционирования, учета электротермических характеристик и, в целом, специального оборудования (паяльная станция с термофеном, микроскоп) и высокой квалификации.

Поверхностный монтаж доминирует в производстве смартфонов, компьютерной техники, бытовой электроники и любых изделий, где ключевыми факторами являются компактность, массовость и скорость сборки.

Обобщающая таблица-сравнение видов монтажа

Способы пайки электронных компонентов и радиодеталей

Пайка электронных компонентов на печатные платы может выполняться различными методами, каждый из которых имеет свои особенности и сферу применения.

• Индивидуальная пайка (селективная)
• Пайка волной припоя
• Конденсационная пайка (парофазная)
• Инфракрасная пайка
• Конвекционная пайка
• Лазерная пайка

Один из самых простых и традиционных способов — индивидуальная или селективная пайка. Она предполагает, что каждый компонент паят отдельно с помощью паяльника или термопинцета. Такой подход обеспечивает высокую точность и позволяет работать с чувствительными компонентами, но при больших объемах производства он слишком медленный и трудоемкий. Чаще всего его используют при прототипировании или ремонте плат.

Для массового производства THT-компонентов применяется пайка волной припоя. Плата с установленными выводными компонентами проходит над «волной» расплавленного припоя, который контактирует со всеми выводами одновременно. Этот метод быстрый и эффективный для стандартных корпусов, таких как DIP или SIP, но непригоден для поверхностного монтажа. Для более сложных и плотных плат с чувствительными элементами используют парофазную или конденсационную пайку. Здесь плату помещают в среду горячего пара, который равномерно отдает тепло и расплавляет припой, не перегревая отдельные зоны. Такой подход позволяет паять платы с высокой плотностью компонентов и большой тепловой массой.

Среди методов, применяемых для поверхностного монтажа SMD-компонентов, широко распространены инфракрасная и конвекционная пайка. При ИК-пайке плату прогревают инфракрасными лучами, что позволяет локально расплавлять припой, но при сложной компоновке элементов прогрев может быть неравномерным. Конвекционная пайка, напротив, обеспечивает более равномерный нагрев за счет циркуляции горячего воздуха или газа, что делает ее стандартом для массового производства микросхем в корпусах BGA, QFN, SOIC и других.

Особый случай — лазерная пайка, применяемая там, где требуется предельная точность. Лазерный луч локально расплавляет припой на выводах, практически не нагревая соседние компоненты. Этот метод особенно удобен для мелких и плотных SMD-компонентов, таких как BGA, CSP и QFN, а также для ремонта сложных плат. Однако он требует дорогого оборудования и применяется редко в серийном производстве.

Классификация корпусов микросхем (плат) по виду монтажа

• Корпуса для поверхностного монтажа, SMT
  • FNP (Flat No-leads Package)
    • DFN (Dual Flat No-leads) / SON (Small Outline No-leads)
      • TDFN (Thin Dual Flat No-leads)
      • UDFN (Ultrathin Dual Flat No-leads)
    • QFN (Quad Flat No-leads) / MLF (Micro Lead Frame) / MLP (Micro Leadframe Package)
      • TQFN (Thin Quad Flat No-leads)
      • UQFN (Ultrathin Quad Flat No-leads)
    • DQFN (Dual Quad Flat No-lead)
  • QFP (Quad Flat Package)
    • LQFP (Low-profile Quad Flat Package)
    • TQFP (Thin Quad Flat Package)
  • TO (Transistor Outline)
  • SOT (Small Outline Transistor)
  • SOP (Small Outline Package), SOIC (Small Outline Integrated Circuit)
    • TSOP (Thin Small Outline Package)
    • SSOP (Shrink Small Outline Package)
    • TSSOP (Thin Shrink Small Outline Package)
  • BGA (Ball Grid Array)
  • LGA (Land Grid Array)
  • CSP (Chip Scale Package)
  • LCC (Leaded Chip Carrier)
  • CLCC (Ceramic Leaded Chip Carrier)
  • PLCC (Plastic Leaded Chip Carrier)
• Корпуса для сквозного монтажа, THT
  • SIP (Single In-line Package)
  • DIP (Dual In-line Package) / DIL (Dual In-Line)
  • QIP (Quad In-line Package) / QIL (Quad In-line)
  • ZIP (Zig-zag In-line Package)
  • PGA (Pin Grid Array)
  • TO (Transistor Outline)

Описание корпусов компонентов, назначение

• FNP (Flat No-leads Package) — корпуса без выводов, тепловой и электрический контакт осуществляется через контактные площадки на нижней поверхности.
• DFN (Dual Flat No-leads) / SON (Small Outline No-leads) — прямоугольные корпуса без ножек, с контактами по двум сторонам.
  • TDFN (Thin DFN) — уменьшенная по толщине версия.
  • UDFN (Ultrathin DFN) — ультратонкий вариант для сверхплотного монтажа.
• QFN (Quad Flat No-leads) / MLF / MLP — контакты по четырем сторонам корпуса, обеспечивают хорошее тепловое рассеивание.
  • TQFN (Thin QFN) — тонкий вариант.
  • UQFN (Ultrathin QFN) — ультратонкая версия.
• DQFN (Dual Quad Flat No-lead) — комбинация структуры QFN с дополнительными контактами для повышения надежности.
• QFP (Quad Flat Package) — корпус с плоскими выводами по четырем сторонам.
  • LQFP (Low-profile QFP) — пониженной высоты.
  • TQFP (Thin QFP) — еще более тонкая версия для компактных устройств.
• TO (Transistor Outline) — компактные корпуса для транзисторов и диодов, приспособленные для поверхностного монтажа, в SMT относится к TO-252 (DPAK) и TO-263 (D2PAK).
• SOT (Small Outline Transistor) — малогабаритные корпуса с выводами по двум сторонам, используются для транзисторов, диодов, маломощных регуляторов (SOT-23, SOT-223, SOT-323 и др.).
• SOP (Small Outline Package) / SOIC (Small Outline Integrated Circuit) — корпуса для интегральных схем с выводами по двум сторонам, уменьшенные версии DIP.
• TSOP (Thin SOP) — тонкий корпус для памяти и логики.
• SSOP ( Shrink SOP) / TSSOP ( Thin Shrink SOP) — уменьшенные и ультратонкие версии SOP с шагом выводов 0.65 мм и менее.
• BGA (Ball Grid Array) — корпус с контактами в виде шариков припоя на нижней поверхности, обеспечивает высокую плотность монтажа.
• LGA (Land Grid Array) — корпус с плоскими контактными площадками вместо шариков, требует пайки или прижатия.
• CSP (Chip Scale Package) — корпус, размеры которого близки к самому кристаллу, минимизирует габариты.
• LCC (Leaded Chip Carrier) — корпуса с выводами по периметру в виде лапок.
  • CLCC (Ceramic LCC) — керамический вариант с повышенной теплопроводностью и надежностью.
  • PLCC (Plastic LCC) — пластиковый вариант, более дешевый и массовый.
• SIP (Single In-line Package) — корпус с одним рядом выводов, применяются для разъемов, резисторных сборок и модулей памяти.
• DIP (Dual In-line Package) / DIL — классический корпус с двумя рядами выводов, широко применялся для микросхем.
• QIP (Quad In-line Package) / QIL — выводы с четырьмя параллельными рядами контактов, обеспечивают высокую плотность монтажа.
• ZIP (Zig-zag In-line Package) — выводы расположены зигзагообразно в один ряд для уменьшения шага и увеличения плотности.
• PGA (Pin Grid Array) — корпус с матрицей штырьковых выводов на нижней поверхности, использовался для микропроцессоров.
• TO (Transistor Outline, THT-версии) — классические цилиндрические или плоские корпуса для транзисторов и диодов, устанавливаются в отверстия платы.

Заключение

Эволюция технологий монтажа электронных компонентов демонстрирует устойчивую тенденцию к увеличению плотности компоновки при одновременном повышении требований к надежности и тепловым характеристикам электронных узлов. Современное производство характеризуется доминированием поверхностного монтажа с параллельным сохранением нишевых применений для монтажа в отверстия в силовой и высоковольтной электронике.

Перспективы развития отрасли связаны с дальнейшей миниатюризацией (корпуса типа 0201, 01005), внедрением гетерогенной интеграции (Package-on-Package, System-in-Package) и совершенствованием методов бессвинцовой пайки. Критическое значение приобретают вопросы управления тепловыми режимами, обеспечения механической прочности соединений и разработки эффективных методов неразрушающего контроля, особенно для скрытых паяных соединений (BGA, LGA).

Современные технологии монтажа представляют собой сложный междисциплинарный комплекс, успешное развитие которого требует интеграции достижений в области материаловедения, прецизионного оборудования и компьютерного моделирования технологических процессов.