Projektowanie Lutowanie i montaż

1

Projektowanie urządzeń

elektronicznych

Projektowanie, technologie

montaŜu i lutowania,

uruchamianie, produkcja

Kolejne kroki w projektowaniu -

projekt wstępny i symulacja

1. Projekt wstępny

- wybór struktury układu,

- wstępne obliczenia ‘ręczne’, noty aplikacyjne producentów np.:

www.alldatasheet.com

- symulacja komputerowa jeżeli możliwa/konieczna/pomocna: Pspice, Orcad,

Multisim (free AD), Altium Designer, Tina (free TI), SmartSpice, Hspice, T-

Spice, Spectre (RF), Eldo (RF), UltraSim, LT Spice (free LT), NanoSim,

Nspice, Hsim, B2Spice, ICAD/4, EDSpice,WINecad, TopSpice, Spice Opus,

SiMetrix, Micro-cap, Microwave Office (RF), Ansoft Designer (RF), Sonnet

Lite (RF, EMC) wersje Open Source (ngspice, tclspice)

Czy symulacja jest wystarczająca? Jak dokładne są

stosowane modele? Czy warto zaglądać do materiałów

dostarczanych przez producentów elementów (data sheet,

application notes)?

2


symulacja

Odpowiedź, np.:

John Ardizonni, „Which carries more weight, a datasheet

or SPICE macromodel?”

Artykuł zawarty w: „Analog Devices’ Technical Support,

Autor zajmuje stanowisko: Senior Application Engineer at

Analog Devices in the High Speed Linear group.

Istnieją symulatory pozwalające określić rozkład natężenia pola EM i rozkład

temperatury na płytce ze zmontowanym układem elektronicznym.

Kolejne kroki w projektowaniu - PCB

2. Projektujemy PCB (Printed Circuit Board): Altium Designer

(Easytrax, Autotrax, Protel), Eagle,Spectra i Allegro (autorouting), CadStar,

Orcad, Tina, Circuit Maker, P-Cad, PCB Elegance, EDWin, VisualPC,

BPECS32, Expert PCB, CirCAD, Layout, McCAD, EPD (RF, hybrid), gEDA

(free – linux), ZenitPCB (free), PCB (free), KiCAD (free)

Grubość miedzi: 5/9/17.5/35/70/105 µm. Grubość laminatów: 0.8 – 6 mm

jednowarstwowe, 0.05 – 0.75 mm wielowarstwowe.

3


Obwody dzielimy na:

- jednowarstwowe (laminaty o różnych grubościach, miedź

zazwyczaj 35 µm), małe upakowanie elementów

- dwuwarstwowe (metalizacja otworów, via itp..), obwody

mikrofalowe, duże upakowanie elementów

- wielowarstwowe (pola lutownicze na warstwach

zewnętrznych, micro via, brak klasycznych via), bardzo duże

upakowanie elementów

- elastyczne obwody drukowane


Na co musimy zwrócić uwagę!

Zasady projektowania PCB, związane z:

- sposobem/łatwością montażu (przewlekany,

powierzchniowy, mieszany)

- kompatybilnością i zakłóceniami (kolejne wykłady)

- odprowadzaniem ciepła (kolejne wykłady)

- budową mechaniczną projektowanego urządzenia

- odpornością mechaniczną

4


Zasada podstawowe:

- najpierw wybieramy producenta obwodu drukowanego i

uzyskujemy informację jakie wprowadza on ograniczenia

technologiczne (min. grubość ścieżek; max. liczba warstw;

minimalne wymiary punktów lutowniczych, otworów, via itp.)

- gromadzimy/sprawdzamy dostępność elementów, które

będą użyte w układzie. Dlaczego przed wykonaniem płytki?

- jeżeli wybrana jest obudowa musimy projektując PCB

uwzględnić jej wymiary, odpowiednio rozmieścić gniazda,

manipulatory, wyświetlacze, odprowadzanie ciepłą itp.


Inne zasady:

- należy pamiętać o umieszczeniu punktów pomiarowo/testowych jeżeli są

wymagane

- w celu wyrównania pojemności cieplnych szerokość ścieżki nie powinna

przekraczać 1/3 średnicy pola lutowniczego

- nie zakręcać ścieżek pod kątem 90 stopni

- każde wyprowadzenie układu scalonego powinno mieć swoje pole lutownicze

Standardowy raster

projektowy

(2.54mm – 0.1 cala)

5


Rodzaje elementów i typ

montażu:

- elementy przewlekane PTH

(Pin Through Hole); montaż

przewlekany THT (Through

Hole Technology)

- elementy do montażu

powierzchniowego SMD

(Surface Mounted Devices);

montaż powierzchniowy SMT

(Surface Mounted

Technology)


Zalecane wymiary pól lutowniczych

przy montażu przewlekanym i

powierzchniowym

6



Należy pamiętać, że ścieżka jest rezystorem i występuje

na niej spadek napięcia:

Idb

lU ρ=

gdzie:

ρ - rezystywność (dla miedzi równa 0.0175 Ω mm2/m)

l – długość ścieżki

d – grubość folii

b – szerokość ścieżki

I – płynący prąd

7


Zazwyczaj stosuje się znormalizowane szerokości ścieżek:

- sygnałowe w modułach z układami scalonymi: 0.2, 0.3 i

0.4 mm

- sygnałowe w modułach z elementami dyskretnymi 0.6,

0.8 i 1 mm

- zasilające i uziemiające: 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 4.0 i 6.0


Rezystancja ścieżek dla różnych wymiarów i temperatur

8


Dopuszczalne napięcie dla różnych odległości pomiędzy ścieżkami: A –

częściowe wyładowanie, B – powyżej wysokości 1000m, w zakresie wysokości

1000 – 3000m, w zakresie wysokości 3000 – 15000m (Prawo Paschena)


Wymiary pól kontaktowych

9



Ważna przy rozmieszczaniu elementów jest też technika stosowanego

lutowania (np. falą)

10


Po fizycznym wykonaniu PCB możliwe jest sprawdzenie

poprawności połączeń.

Wykonanie PCB prototypu:

1. Samodzielne np. metodą termotransferu, metodą światłoczułą

2. Zlecenie producentom obwodów drukowanych

- przygotowanie (wydruk) pozytywu widoku płytki i wykonanie PCB metodą

sitodruku (metoda już rzadko stosowana ale tania)

- dostarczenie plików z programu do projektowania PCB ( *.pcb lub pliki typu

gerber)


montaŜ

Należy uwzględniać sposób późniejszego montażu!

11


montaŜ

Należy uwzględniać sposób późniejszego montażu!


montaŜ

Montaż mieszany I

rodzaju: elementy

przewlekane po jednej

stronie, a

powierzchniowe po

drugiej

12


montaŜ

Montaż mieszany II rodzaju: elementy przewlekane i powierzchniowe po jednej

stronie, a po drugiej tylko powierzchniowe

Kolejne kroki w projektowaniu

Prototyp najprawdopodobniej zlutujemy ręcznie.

Następny krok – uruchomienie układu.

Kolejny - optymalizacja schematu, wartości elementów i

PCB.

Potem wykonanie wersji ostatecznej, pomiary końcowe,

certyfikaty CE i produkcja.

13

Luty - SnPb

Lut ołowiowy SnPb różne firmy oferują spoiwa różniące się składem i

poziomem zanieczyszczeń. Najczęściej w elektronice stosowane

spoiwa o zawartości od 60% Sn i 40% Pb do 65% Sn i 35% Pb przy

czym najpopularniejszy jest stop eutektyczny 62% Sn i 38% Pb o

temperaturze topnienia 183 st. C. Wykonanie prawidłowe połączenia

SnPb wymaga wyższej temperatury grotu lutownicy ( 3000C SMD, 320

– 3700C PTH).

Luty - SnPb

Występowanie procentowe innych pierwiastków

(zanieczyszczenia) w spoiwie SnPb

14

Topniki

Luty – luty bezołowiowe

Materiały bezołowiowe – dwie dyrektywy EU:

-nr 2002/96/EC ‘Waste Electrical and Electronic Equipment

(WEEEP’

- nr 2002/95/EC ‘Restriction of the use of certain Hazardous

Substances in electrical and electronic equipment (RoHC)

15


Zagadnienia, które należy wziąć pod uwagę podczas lutowania

bezołowiowego:

- ‘whiskersy’ i technologia ‘whiskers – free’



bezołowiowego:

- wzrost temperatury topnienia spoiwa o 20 – 400C w porównaniu do SnPb

Przykładowy wykres temperaturowy lutowania bezołowiowego w piecu

16



bezołowiowego:

- konieczność stosowania narzędzi lutowniczych o wyższych temperaturach

pracy

- konieczność stosowania grotów o podwyższonych temperaturach pracy

- konieczność stosowania topników przeznaczonych do lutów bezołowiowych

- lutowanie w warunkach beztlenowych (np. azot)


17


Sn96.5Ag3.5 – stosowany w elektronice motoryzacyjnej,

zwłaszcza umiejscowionej w silniku, słaba zwilżalność

Sn99.3Cu0.7 – słaba zwilżalność własna, powierzchnia

chropowata, dobrze zwilża powierzchnie pokryte Pb, słabe

właściwości mechaniczne, stosowany do lutowania falą,

tańszy od większości stopów ‘Pb-free’, stosowany przy

montażu telefonów

Sn95.5Ag3.8Cu0.7 – dobra zwilżalność, jakość i

niezawodność połączeń lepsza niż dla SnPb, wysoka cena


Dodawanie do stopu SnAgCu niewielkich ilości innych

pierwiastków (np.. Kobalt) poprawia właściwości stopów, np.

Sn Ag0.3 Cu0.7 Co0.03

W rzeczywistości luty ‘Pb free’ podobie jak z Pb posiadają

całą gamę pierwiastków oprócz podstawowych,

wymienionych w nazwie. Przykładowy skład ww. stopu:

18

Luty – pasty lutownicze

Pasta lutownicza – zawiesina proszku lutowniczego w

nośniku.

Proszek – wykonany ze stopu eutektycznego.

Nośnik – mieszanina kalafonii i rozpuszczalników

ułatwiających drukowanie i lutowanie.


Szablon do nadruku

pasty lutowniczej.

19


Cechy charakterystyczne:

- wysychanie w przeciągu 3 – 4 godzin (pogorszone

właściwości)

- trwałość 2 miesięcy, przedłużona do 6 gdy

przechowujemy w temperaturze 2-100C

- wrażliwa na podgrzewanie, wilgoć i zamarzanie

- absorbuje wilgoć

- zmywalna alkoholem izopropylowym

Przykłady

Czas na filmy

Documents

Projektowanie Lutowanie i montaż