Как паять мелкие smd компоненты
Пайка компонентов 0201. Слабонервных просьба удалиться от экранов
Доброго времени суток, Хабр!
Хочу поделиться опытом пайки плат. Также затрону тему установки совсем маленьких компонентов с типоразмером 0201.
Предыстория
У меня ранее уже была статья на похожую тему «Ручной монтаж сложных плат на компонентах 0402, 0603, QFN, LQFP и THT». Я кратко показал, как можно запаивать довольно сложные платы, с большим количеством компонентов, с помощью пинцета и фена. До недавнего времени, я ни разу не разрабатывал платы с пассивом 0201, но все когда-то бывает в первый раз.
Типоразмеры
Для начала, давайте определимся с типоразмерами пассивных компонентов. Будем говорить только о резисторах и конденсаторах, так как их обычно больше всего на платах и их сложнее всего устанавливать вручную.
В своих проектах я все чаще стал переходить на 0402, так как это позволяет делать более плотную компоновку и оставлять место на верхних слоях для полигонов и проводников.
Рис.1. Резисторы 0603, 0402 и 0201.
Я сфотографировал три ленты (Рис.1.) с различными типоразмерами резисторов, чтобы можно было визуально их сравнить.
Метрические размеры резисторов Yageo:
Инструменты
За более чем десять лет разработки плат и пайки своих макетов я стал больше внимания уделять инструментам. Их не обязательно должно быть много, но они должны быть «подходящими». Я не стал размещать фотографии, кому интересно, можете погуглить. Информация дана не ради рекламы, а для понимания какой инструмент можно использовать.
Пинцет. Первые три года я использовал пинцет «ProsKit 1pk-101t». Тогда я ставил компоненты 1206, 0805 и 0603. После этого, в течение пяти лет я использовал «VETUS ESD-10», устанавливая им еще и 0402 компоненты. Он немного мягче первого и такой же по размерам. Последние несколько лет у меня два одинаковых «goothelp gt-11ESD». Это узкий, удлиненный, мягкий экземпляр и разводится всего на 8мм (он на титульном фото к статье). Только им я смог нормально захватить 0201. Помимо этого набора пинцетов (они сохранились у меня все), я использую «goot TS-13», широкий, для захвата больших компонентов (микросхемы, индуктивности и т.д.). Были различные промежуточные, но они не достойны внимания.
Паяльная станция у меня одна уже на протяжении семи лет, даже не помню какая была до этого. «Lukey 852D+».
Паяльная паста «SolderPlus 7020199 62NCLR-A». Флюс «FluxPlus 7019074 6-412-A». Их я смешиваю примерно 1:1 и наношу получившуюся смесь на контактные площадки компонентов с помощью шприца.
Расстановка компонентов на плату
С инструментом разобрались. Теперь немного об Altium и как он нам поможет в расстановке. Я использую свою библиотеку компонентов и частично рассказывал о необходимых полях в другой своей статье «Разработка модуля на iMX8. Особенности переноса трассировки.». Итак, если все необходимые поля у компонентов присутствуют, то задача упрощается. Нажимаем ПКМ на компоненте и выбираем пункт меню Find Similar Objects.
Рис.2. Поиск компонентов на плате
В появившемся окне ставим фильтры по слою, номиналу и посадочному месту. Нажимаем кнопку ОК и видим, что все необходимые компоненты выделены. Теперь мы знаем их расположение на плате. Важно перейти на слой шелкографии (кнопки + и – на клавиатуре), чтобы увидеть подписи к компонентам, так будет еще проще.
Рис.3. Выделенные компоненты
После этого можно начинать расставлять компоненты. Я обычно ставлю сначала ту сторону (если плата с двухсторонним монтажом), на которой есть большие разъемы. После того, как я запаяю всю сторону, можно переворачивать плату и не бояться, что компоненты сдвинутся при запаивании второй стороны (можно использовать захваты для плат). Сначала я ставил пассив 0201 и 0402, затем 0603 и индуктивности. После этого можно ставить QFN и все остальное.
Рис.4. Запаивание компонентов (а)
Рис.5. Запаивание компонентов (б)
После того как все компоненты расставлены, я их пропаиваю феном за один раз, параллельно выравнивая.
BGA устанавливаю после того, как все остальное уже запаяно и плата отмыта от флюса. Мою в ультразвуковой ванне либо спиртом, либо отмывочной жидкостью.
Рис.6. Установленные 0603, 0402 и 0201
По плате видно, что плотность монтажа невысокая. Если постараться, можно было бы уместить 0402 вместо 0201, но в некоторых местах на плате это было бы сложно и, скорее всего, в ущерб трассировке. Это, так сказать, проба пера, чтобы понимать насколько это трудоемко и стоит ли в будущем использовать такие типоразмеры в проектах.
Заключение
Не буду утверждать, что данный способ является самым простым. Ручная пайка актуальна только на макетных образцах, когда речь не идет о серийности изделий. Несколько раз мы паяли макеты на производстве и один раз столкнулись с тем, что были запаяны не те номиналы резисторов 0402 (они не имеют маркировки). Проблему искали несколько дней, так как на плате было более 2000 компонентов и сбои в работе изделия были не регулярны. В этом случае, сначала начинаешь искать проблему в схемотехнике и трассировке и не подозреваешь что проблема совершенно в другом. Вероятность ошибки при ручной пайке (именно этим способом) минимальна, так как ставится сразу группа компонентов и даже если я ошибусь с установкой одного номинала, ошибка будет найдена, когда я буду ставить другой. Скажу больше, ни разу не было ошибок в расстановке при ручной пайке. Отлаженное производство на заводе, конечно, не даст ошибок, но при пайке макетного образца очень важно знать, что все компоненты на своих местах, иначе можно потратить куда больше времени на поиск несуществующей проблемы.
Если нужны еще какие-то нюансы — спрашивайте!
Пайка SMD компонентов в домашних условиях
Многие задаются вопросом, как правильно паять SMD-компоненты. Но перед тем как разобраться с этой проблемой, необходимо уточнить, что же это за элементы. Surface Mounted Devices – в переводе с английского это выражение означает компоненты для поверхностного монтажа. Главным их достоинством является большая, нежели у обычных деталей, монтажная плотность. Этот аспект влияет на использование SMD-элементов в массовом производстве печатных плат, а также на их экономичность и технологичность монтажа. Обычные детали, у которых выводы проволочного типа, утратили свое широкое применение наряду с быстрорастущей популярностью SMD-компонентов.
Ошибки и основные принцип пайки
Некоторые умельцы утверждают, что паять такие элементы своими руками очень сложно и довольно неудобно. На самом деле, аналогичные работы с ТН-компонентами проводить намного труднее. И вообще эти два вида деталей применяются в различных областях электроники. Однако многие совершают определенные ошибки при пайке SMD-компонентов в домашних условиях.
SMD-компоненты
Главной проблемой, с которой сталкиваются любители, является выбор тонкого жала на паяльник. Это связано с существованием мнения о том, что при паянии обычным паяльником можно заляпать оловом ножки SMD-контактов. В итоге процесс паяния проходит долго и мучительно. Такое суждение нельзя считать верным, так как в этих процессах существенную роль играет капиллярный эффект, поверхностное натяжение, а также сила смачивания. Игнорирование этих дополнительных хитростей усложняет выполнение работы своими руками.
Пайка SMD-компонентов
Чтобы правильно паять SMD-компоненты, необходимо придерживаться определенных действий. Для начала прикладывают жало паяльника к ножкам взятого элемента. Вследствие этого начинает расти температура и плавиться олово, которое в итоге полностью обтекает ножку данного компонента. Этот процесс называется силой смачивания. В это же мгновение происходит затекание олова под ножку, что объясняется капиллярным эффектом. Вместе со смачиванием ножки происходит аналогичное действие на самой плате. В итоге получается равномерно залитая связка платы с ножками.
Контакта припоя с соседними ножками не происходит из-за того, что начинает действовать сила натяжения, формирующая отдельные капли олова. Очевидно, что описанные процессы протекают сами по себе, лишь с небольшим участием паяльщика, который только разогревает паяльником ножки детали. При работе с очень маленькими элементами возможно их прилипание к жалу паяльника. Чтобы этого не произошло, обе стороны припаивают по отдельности.
Пайка в заводских условиях
Этот процесс происходит на основе группового метода. Пайка SMD-компонентов выполняется с помощью специальной паяльной пасты, которая равномерно распределяется тончайшим слоем на подготовленную печатную плату, где уже имеются контактные площадки. Этот способ нанесения называется шелкографией. Применяемый материал по своему виду и консистенции напоминает зубную пасту. Этот порошок состоит из припоя, в который добавлен и перемешан флюс. Процесс нанесения выполняется автоматически при прохождении печатной платы по конвейеру.
Заводская пайка SMD-деталей
Далее установленные по ленте движения роботы раскладывают в нужном порядке все необходимые элементы. Детали в процессе передвижения платы прочно удерживаются на установленном месте за счет достаточной липкости паяльной пасты. Следующим этапом происходит нагрев конструкции в специальной печи до температуры, которая немного больше той, при которой плавится припой. В итоге такого нагрева происходит расплавление припоя и обтекание его вокруг ножек компонентов, а флюс испаряется. Этот процесс и делает детали припаянными на свои посадочные места. После печки плате дают остыть, и все готово.
Необходимые материалы и инструменты
Для того чтобы своими руками выполнять работы по впаиванию SMD-компонентов, понадобится наличие определенных инструментов и расходных материалов, к которым можно отнести следующие:
Использование флюса просто необходимо, и он должен быть жидким. В таком состоянии этот материал обезжиривает рабочую поверхность, а также убирает образовавшиеся окислы на паяемом металле. В результате этого на припое появляется оптимальная сила смачивания, и капля для пайки лучше сохраняет свою форму, что облегчает весь процесс работы и исключает образование «соплей». Использование спиртового раствора канифоли не позволит добиться значимого результата, да и образовавшийся белый налет вряд ли удастся убрать.
Припой для пайки
Очень важен выбор паяльника. Лучше всего подходит такой инструмент, у которого возможна регулировка температуры. Это позволяет не переживать за возможность повреждения деталей перегревом, но этот нюанс не касается моментов, когда требуется выпаивать SMD-компоненты. Любая паяемая деталь способна выдерживать температуру около 250–300 °С, что обеспечивает регулируемый паяльник. При отсутствии такого устройства можно воспользоваться аналогичным инструментом мощностью от 20 до 30 Вт, рассчитанным на напряжение 12–36 В.
Использование паяльника на 220 В приведет к не лучшим последствиям. Это связано с высокой температурой нагрева его жала, под действием которой жидкий флюс быстро улетучивается и не позволяет эффективно смачивать детали припоем.
Специалисты не советуют пользоваться паяльником с конусным жалом, так как припой трудно наносить на детали и тратится уйма времени. Наиболее эффективным считается жало под названием «Микроволна». Очевидным его преимуществом является небольшое отверстие на срезе для более удобного захвата припоя в нужном количестве. Еще с таким жалом на паяльнике удобно собирать излишки пайки.
Жало для паяльника «Микроволна»
Использовать припой можно любой, но лучше применять тонкую проволочку, с помощью которой комфортно дозировать количество используемого материала. Паяемая деталь при помощи такой проволочки будет лучше обработана за счет более удобного доступа к ней.
Как паять SMD-компоненты?
Порядок работ
Процесс пайки при тщательном подходе к теории и получении определенного опыта не является сложным. Итак, можно всю процедуру разделить на несколько пунктов:
При выполнении аналогичных действий с микросхемой процесс пайки немного отличается от вышеприведенного. Технология будет выглядеть следующим образом:
Как паять при помощи фена?
При таком способе пайки необходимо смазать посадочные места специальной пастой. Затем на контактную площадку укладывается необходимая деталь — помимо компонентов это могут быть резисторы, транзисторы, конденсаторы и т. д. Для удобства можно воспользоваться пинцетом. После этого деталь нагревается горячим воздухом, подаваемым из фена, температурой около 250º C. Как и в предыдущих примерах пайки, флюс под действием температуры испаряется и плавится припой, тем самым заливая контактные дорожки и ножки деталей. Затем отводится фен, и плата начинает остывать. При полном остывании можно считать пайку оконченной.
Фен для паяния мелких деталей
Пайка SMD деталей в домашних условиях
SMD — Surface Mounted Devices — Компоненты для поверхностного монтажа — так расшифровывается эта английская аббревиатура. Они обеспечивают более высокую по сравнению с традиционными деталями плотность монтажа. К тому же монтаж этих элементов, изготовление печатной платы оказываются более технологичными и дешевыми при массовом производстве, поэтому эти элементы получают все большее распространение и постепенно вытесняют классические детали с проволочными выводами.
Монтажу таких деталей посвящено немало статей в Интернете и в печатных изданиях, в своей статье про выбор главного инструмента я уже писал немного по этой теме. Сейчас хочу ее дополнить.
Надеюсь мой опус будет полезен для начинающих и для тех, кто пока с такими компонентами дела не имел.
Выход статьи приурочен к выпуску первого датагорского конструктора, где таких элементов 4 шт., а собственно процессор PCM2702 имеет супер-мелкие ноги. Поставляемая в комплекте печатная плата имеет паяльную маску, что облегчает пайку, однако не отменяет требований к аккуратности, отсутствию перегрева и статики.
Инструменты и материалы
Несколько слов про необходимые для этой цели инструменты и расходные материалы. Прежде всего это пинцет, острая иголка или шило, кусачки, припой, очень полезен бывает шприц с достаточно толстой иголкой для нанесения флюса. Поскольку сами детали очень мелкие, то обойтись без увеличительного стекла тоже бывает очень проблематично. Еще потребуется флюс жидкий, желательно нейтральный безотмывочный. На крайний случай подойдет и спиртовой раствор канифоли, но лучше все же воспользоваться специализированным флюсом, благо выбор их сейчас в продаже довольно широкий.
В любительских условиях удобнее всего такие детали паять при помощи специального паяльного фена или по другому — термовоздушной паяльной станцией. Выбор их сейчас в продаже довольно велик и цены, благодаря нашим китайским друзьям, тоже очень демократичные и доступны большинству радиолюбителей. Вот например такой образчик китайского производства с непроизносимым названием. Я такой станцией пользуюсь уже третий год. Пока полет нормальный.
Ну и конечно же, понадобится паяльник с тонким жалом. Лучше если это жало будет выполнено по технологии «Микроволна» разработанной немецкой фирмой Ersa. Оно отличается от обычного жала тем, что имеет небольшое углубление в котором скапливается капелька припоя. Такое жало делает меньше залипов при пайке близко расположенных выводов и дорожек. Настоятельно рекомендую найти и воспользоваться. Но если нет такого чудо-жала, то подойдет паяльник с обычным тонким наконечником.
В заводских условиях пайка SMD деталей производится групповым методом при помощи паяльной пасты. На подготовленную печатную плату на контактные площадки наносится тонкий слой специальной паяльной пасты. Делается это как правило методом шелкографии. Паяльная паста представляет собой мелкий порошок из припоя, перемешанный с флюсом. По консистенции он напоминает зубную пасту.
После нанесения паяльной пасты, робот раскладывает в нужные места необходимые элементы. Паяльная паста достаточно липкая, чтобы удержать детали. Потом плату загружают в печку и нагревают до температуры чуть выше температуры плавления припоя. Флюс испаряется, припой расплавляется и детали оказываются припаянными на свое место. Остается только дождаться охлаждения платы.
Вот эту технологию можно попробовать повторить в домашних условиях. Такую паяльную пасту можно приобрести в фирмах, занимающихся ремонтом сотовых телефонов. В магазинах торгующих радиодеталями, она тоже сейчас как правило есть в ассортименте, наряду с обычным припоем. В качестве дозатора для пасты я воспользовался тонкой иглой. Конечно это не так аккуратно, как делает к примеру фирма Asus когда изготовляет свои материнские платы, но тут уж как смог. Будет лучше, если эту паяльную пасту набрать в шприц и через иглу аккуратно выдавливать на контактные площадки. На фото видно, что я несколько переборщил плюхнув слишком много пасты, особенно слева.
Посмотрим, что из этого получится. На смазанные пастой контактные площадки укладываем детали. В данном случае это резисторы и конденсаторы. Вот тут пригодится тонкий пинцет. Удобнее, на мой взгляд, пользоваться пинцетом с загнутыми ножками.
Вместо пинцета некоторые пользуются зубочисткой, кончик которой для липкости чуть намазан флюсом. Тут полная свобода — кому как удобнее.
После того как детали заняли свое положение, можно начинать нагрев горячим воздухом. Температура плавления припоя (Sn 63%, Pb 35%, Ag 2%) составляет 178с*. Температуру горячего воздуха я выставил в 250с* и с расстояния в десяток сантиметров начинаю прогревать плату, постепенно опуская наконечник фена все ниже. Осторожнее с напором воздуха — если он будет очень сильным, то он просто сдует детали с платы. По мере прогрева, флюс начнет испаряться, а припой из темно-серого цвета начнет светлеть и в конце концов расплавится, растечется и станет блестящим. Примерно так как видно на следующем снимке.
После того как припой расплавился, наконечник фена медленно отводим подальше от платы, давая ей постепенно остыть. Вот что получилось у меня. По большим капелькам припоя у торцов элементов видно где я положил пасты слишком много, а где пожадничал.
Паяльная паста, вообще говоря, может оказаться достаточно дефицитной и дорогой. Если ее нет в наличии, то можно попробовать обойтись и без нее. Как это сделать рассмотрим на примере пайки микросхемы. Для начала все контактные площадки необходимо тщательно и толстым слоем облудить.
На фото, надеюсь видно, что припой на контактных площадках лежит такой невысокой горочкой. Главное чтобы он был распределен равномерно и его количество на всех площадках было одинаково. После этого все контактные площадки смачиваем флюсом и даем некоторое время подсохнуть, чтобы он стал более густым и липким и детали к нему прилипали. Аккуратно помещаем микросхему на предназначенное ей место. Тщательно совмещаем выводы микросхемы с контактными площадками.
Рядом с микросхемой я поместил несколько пассивных компонентов керамические и электролитический конденсаторы. Чтобы детали не сдувались напором воздуха нагревать начинаем свысока. Торопиться здесь не надо. Если большую сдуть достаточно сложно, то мелкие резисторы и конденсаторы запросто разлетаются кто куда.
Вот что получилось в результате. На фото видно, что конденсаторы припаялись как положено, а вот некоторые ножки микросхемы (24, 25 и 22 например) висят в воздухе. Проблема может быть или в неравномерном нанесении припоя на контактные площадки или в недостаточном количестве или качестве флюса. Исправить положение можно обычным паяльником с тонким жалом, аккуратно пропаяв подозрительные ножки. Чтобы заметить такие дефекты пайки необходимо увеличительное стекло.
Паяльная станция с горячим воздухом — это хорошо, скажете вы, но как быть тем, у кого ее нет, а есть только паяльник? При должной степени аккуратности SMD элементы можно припаивать и обычным паяльником. Чтобы проиллюстрировать эту возможность припаяем резисторы и пару микросхем без помощи фена одним только паяльником. Начнем с резистора. На предварительно облуженные и смоченные флюсом контактные площадки устанавливаем резистор. Чтобы он при пайке не сдвинулся с места и не прилип к жалу паяльника, его необходимо в момент пайки прижать к плате иголкой.
Потом достаточно прикоснуться жалом паяльника к торцу детали и контактной площадке и деталь с одной стороны окажется припаянной. С другой стороны припаиваем аналогично. Припоя на жале паяльника должно быть минимальное количество, иначе может получиться залипуха.
Вот что у меня получилось с пайкой резистора.
Качество не очень, но контакт надежный. Качество страдает из за того, что трудно одной рукой фиксировать иголкой резистор, второй рукой держать паяльник, а третьей рукой фотографировать.
Транзисторы и микросхемы стабилизаторов припаиваются аналогично. Я сначала припаиваю к плате теплоотвод мощного транзистора. Тут припоя не жалею. Капелька припоя должна затечь под основание транзистора и обеспечить не только надежный электрический контакт, но и надежный тепловой контакт между основанием транзистора и платой, которая играет роль радиатора.
Во время пайки можно иголкой слегка пошевелить транзистор, чтобы убедиться что весь припой под основанием расплавился и транзистор как бы плавает на капельке припоя. К тому же лишний припой из под основания при этом выдавится наружу, улучшив тепловой контакт. Вот так выглядит припаянная микросхема интегрального стабилизатора на плате.
Теперь надо перейти к более сложной задаче — пайке микросхемы. Первым делом, опять производим точное позиционирование ее на контактных площадках. Потом слегка «прихватываем» один из крайних выводов.
После этого нужно снова проверить правильность совпадения ножек микросхемы и контактных площадок. После этого таким же образом прихватываем остальные крайние выводы.
Теперь микросхема никуда с платы не денется. Осторожно, по одной припаиваем все остальные выводы, стараясь не посадить перемычку между ножками микросхемы.
Вот тут то нам очень пригодится жало «микроволна» о котором я упоминал вначале. С его помощью можно производить пайку многовыводных микросхем, просто проводя жалом вдоль выводов. Залипов практически не бывает и на пайку одной стороны с полусотней выводов с шагом 0,5 мм уходит всего минута. Если же такого волшебного жала у вас нет, то просто старайтесь делать все как можно аккуратнее.
Что же делать, если несколько ножек микросхемы оказались залиты одной каплей припоя и устранить этот залип паяльником не удается?
Тут на помощь придет кусочек оплетки от экранированного кабеля. Оплетку пропитываем флюсом. Затем прикладываем ее к заляпухе и нагреваем паяльником.
Оплетка как губка впитает в себя лишний припой и освободит от замыкания ножки микросхемы. Видно, что на выводах остался минимум припоя, который равномерно залил ножки микросхемы.
Надеюсь, я не утомил вас своей писаниной, и не сильно расстроил качеством фотографий и полученных результатов пайки. Может кому-нибудь этот материал окажется полезным. Удачи!
С уважением, Тимошкин Александр (TANk)
Камрад, рассмотри датагорские рекомендации
🌼 Полезные и проверенные железяки, можно брать
Опробовано в лаборатории редакции или читателями.