ep_04_064-070_obudowy_cz1.pdf

NOTATNIK PRAKTYKA

Montaż elementów SMD,

część 1

Biorąc pod lupę współczesne,

seryjne urządzenie elektroniczne

stwierdzimy, że coraz trudniej

doszukać się w nim tradycyjnych

podzespołów przewlekanych.

Dominacji techniki montażu

powierzchniowego (SMT – Surface

Mount Technology) opiera

się jedynie część elementów

dużej mocy, a także nieliczne

podzespoły o znacznych

gabarytach (duże kondensatory

elektrolityczne) lub obciążające

płytkę mechanicznie (złącza,

przełączniki).

O korzyściach płynących z za-

stosowania montażu powierzchnio-

wego pisano wiele razy i chyba nie

trzeba nikogo do nich przekonywać.

W porównaniu z tradycyjnym mon-

tażem przewlekanym (TH – Thro-

ugh Hole ) układy powierzchniowe

charakteryzują się znacznie większą

gęstością upakowania, wyższą mak-

symalną częstotliwością pracy, a

także lepszą odpornością na wibra-

cje. Montaż powierzchniowy w ca-

łości poddaje się automatyzacji, co

oprócz obniżenia kosztów produkcji

korzystnie wpływa również na nie-

zawodność finalnego produktu.

Spojrzenie na projekty publiko-

wane w EP, zarówno te pochodzące

z pracowni zespołu redakcyjnego,

jak i nadsyłane przez czytelników,

prowadzi jednak do wniosku, że

technologia montażu powierzchnio-

wego bardzo opornie toruje sobie

drogę w świadomości rodzimych

konstruktorów. Niestety dotyczy to

również urządzeń opracowywanych

przez wiele małych, krajowych firm

elektronicznych. Można sobie zadać

zatem pytanie co skłania wielu pro-

jektantów do upartego trwania przy

setkach otworów, nieśmiertelnych

DIP–ach, tranzystorach TO–92 i dłu-

gonogich rezystorach? Tym bardziej,

że oferta i relacje cen nie tylko

skłaniają, ale coraz częściej wręcz

wymuszają korzystanie z technologii

SMT. Także lista firm oferujących

usługi montażu kontraktowego jest

na tyle obszerna, że ulokowanie

zlecenia na wykonanie nawet nie-

wielkiej serii płytek nie powinno

stanowić obecnie istotnego proble-

mu. Sądzę, że faktyczne przyczyny

kryją się już we wcześniejszych

etapach – począwszy od projekto-

wania przez montaż i uruchamia-

nie prototypu aż do przygotowania

dokumentacji. Wydaje się, że wy-

stępuje tutaj pewna bariera psycho-

logiczna, oparta z jednej strony na

trudności jaką sprawia poruszanie

się w gąszczu nowych oznaczeń a

z drugiej na przeświadczeniu o ko-

nieczności posiadania kosztownych

narzędzi i szczególnych umiejętno-

ści praktycznych. Chciałbym, żeby

ten artykuł, dostarczając niezbędnej

wiedzy praktycznej przyczynił się

do zniwelowania istniejącej bariery.

Trzeba jednak zdać sobie sprawę,

że nośność czasopisma, jak rów-

nież zasób wiedzy autora są bardzo

skromne w porównaniu z rozległo-

ścią tematu. Dlatego na wstępie

musimy przyjąć pewne założenia

precyzujące obszar zainteresowań.

Niniejszy tekst kieruję przede

wszystkim do praktyków zajmują-

cych się projektowaniem, urucha-

mianiem prototypów i ew. produkcją

jednostkowych urządzeń. Zarówno w

działalności hobbystycznej, jak i za-

wodowej, ale prowadzonej w realiach

typowych dla małej, często jedno-

osobowej firmy, mamy do czynienia

z podobnymi, w pewnym sensie

sprzecznymi uwarunkowaniami:

– Marzeniem każdego projektanta

jest możliwość swobodnego ko-

rzystania z jak najszerszej gamy

układów – również dzięki ła-

twości montażu. Rosnący odse-

tek układów scalonych produ-

kowanych wyłącznie w wersjach

SMD potrafi jednak tę swobodę

poważnie ograniczyć.

– Jednostkowa skala produkcji wy-

klucza zlecenie montażu u ze-

wnętrznego usługodawcy lub

niewspółmiernie podnosi koszty

takiego zlecenia.

– Konstruktor ma do dyspozycji

zazwyczaj bardzo ograniczone

zasoby warsztatowe, co wynika

zarówno ze skromnego budżetu,

jak i z niewielkiego wykorzy-

stania sprzętu. Trudno bowiem

uzasadnić zakup np. pieca do

lutowania rozpływowego w sytu-

acji, gdyby miał on posłużyć do

zmontowania zaledwie kilku lub

kilkunastu płytek miesięcznie.

– Uruchamianie prototypów zazwy-

czaj wiąże się z potrzebą prze-

róbek w układzie lub wymiany

uszkodzonych elementów – wła-

snymi siłami lub z pomocą za-

kładu usługowego. Pół biedy gdy

Elektronika Praktyczna 4/2005

NOTATNIK PRAKTYKA

odpowiedni zakład znajduje się

w pobliżu. Jednak już odległość

kilkudziesięciu km lub koniecz-

ność wysyłki mogą postawić pod

znakiem zapytania sens całego

projektu. Dlatego najlepiej, żeby

takie zmiany dawało się wyko-

nać ad hoc bez potrzeby wsta-

wania od stołu warsztatowego.

– Montaż ręczny charakteryzuje się

zmiennością parametrów i nie-

stety nie jest wolny od błędów.

Szczególnie w przypadku podze-

społów SMD mogą to być błędy

niewidoczne gołym okiem, ale

istotnie wpływające na jakość

połączeń. Jednak od prototypów

oczekuje się zazwyczaj mniejszej

niezawodności i krótszego cza-

su użytkowania niż w przypad-

ku wyrobów finalnych. Z kolei

tryb w jakim powstają urządze-

nia jednostkowe stwarza okazję

do dokładnej oceny poprawności

montażu i solidnego przetestowa-

nia, co w konsekwencji również

zmniejsza ryzyko pozostawienia

niewykrytego uszkodzenia.

Biorąc pod uwagę wymienione

warunki zakładam, że skoncentruje-

my się przede wszystkim na ręcz-

nym montażu i demontażu układów

SMD jaki można przeprowadzić w

warsztacie, potencjalnie dostępnym

dla zaawansowanego amatora lub

małej firmy. Zastanowimy się tak-

że jakie koszty trzeba ponieść, żeby

móc sięgnąć po konkretne typy

obudów. Pamiętajmy jednak, że cały

czas mówimy o montażu jednostko-

wym i to przede wszystkim ukła-

dów prototypowych, a więc godzi-

my się z większą pracochłonnością

i ograniczonym zaufaniem do osią-

ganych rezultatów.

Drugie z koniecznych założeń

polega na określeniu zakresu obu-

dów SMD leżących w zasięgu moż-

liwości amatora (podobnie jak w

przypadku domowych metod wy-

twarzania PCB, pisząc o amatorach,

mam na myśli osoby pozbawione

profesjonalnego zaplecza warsztato-

wego, co jednak w żaden sposób

nie determinuje wagi i złożoności

realizowanych projektów). Przyj-

mijmy, że będziemy zajmować się

wyłącznie podzespołami, których

wyprowadzenia po zamontowa-

niu układu są widoczne i dają się

obejrzeć gołym okiem. Założenie to

automatycznie wyklucza z obszaru

naszych zainteresowań licznie re-

prezentowaną rodzinę „kulkowych”

układów BGA ( Ball Grid Array ),

obudowy „beznóżkowe” (oznacza-

nie m.in. jako: QFN – Quad Flat

No–leads , MLP – Micro Leadless

Package , LLC – Leadless Leadframe

Chip package ), a także pozostałe

skrajnie zminiaturyzowane obudowy

zaliczane do klasy CSP ( Chip Scale

Package ). Pominiemy również obu-

dowy typowe dla zastosowań spe-

cjalnych (militarnych, kosmicznych

itp.), nieosiągalne dla zwykłego

śmiertelnika. Mogłoby się wydawać,

że tracimy w ten sposób z pola

widzenia niemal całą awangardę

współczesnej elektroniki. W obsza-

rze naszych zainteresowań, oprócz

typowej „drobnicy” pozostaje jednak

szeroka gama układów scalonych

umieszczonych w obudowach z ro-

dzin SOP i QFP. Pomijając chipy o

bardzo dużej liczbie wyprowadzeń,

znaczna część układów scalonych

montowanych w obudowach klasy

BGA ma również swoje klasyczne,

„nóżkowe” odpowiedniki.

Osoby zainteresowane sięgnię-

ciem do montażu powierzchnio-

wego, szukając pomocy na forach

internetowych, zadają zazwyczaj

podobnie brzmiące pytania: „Chcę

przymierzyć się do montażu SMD.

Jaką stację lutowniczą powinienem

kupić? Jakie układy będę mógł nią

montować?”. Znamiennym wydaje

się fakt, że niemal zawsze dysku-

sja toczy się wokół marek, cen i

jakości lutownic, natomiast rzad-

ko zahacza o równie istotne ak-

cesoria pomocnicze. Tymczasem

właśnie te lekceważone drobiazgi

mogą w praktyce zadecydować o

wykonalności operacji. Biorąc pod

uwagę poczynione wcześniej zało-

żenia, jestem skłonny twierdzić, że

po nabyciu wprawy, w większości

przypadków wystarczy posłużyć się

jakąkolwiek, średniej mocy lutowni-

cą z odpowiednio ukształtowanym,

uziemionym grotem. Natomiast nie-

doceniane dodatki, takie jak np.

zestaw pęset, dobrej jakości lupa, a

przede wszystkim odpowiedni top-

nik mogą zadecydować o powodze-

niu montażu w ogóle.

Zanim usiądziemy do stołu

montażowego, zaczniemy jednak

omówienia podstawowej systematyki

i przeglądu najczęściej używanych

obudów SMD. Praktyczna znajo-

mość rodzajów obudów i stosowa-

nych oznaczeń odda nieocenione

usługi, przede wszystkim:

– Przy przeglądaniu list katalogo-

wych i cenników dystrybutorów.

Ten sam typ układu scalonego

występuje najczęściej w kilku

wersjach różniących się literowym

sufiksem i reprezentującym różne

wykonania. Umiejętność wyobra-

żenia sobie wyglądu elementu na

podstawie symbolicznego oznacze-

nia ułatwia dokonanie szybkiego

wyboru właściwej wersji.

– Podczas projektowania płytki dru-

kowanej. Znajomość logiki tkwiącej

w oznaczeniach przyspieszy do-

branie pasującego, lub najbardziej

zbliżonego elementu z biblioteki

CAD–a używanego do projektowa-

nia płytek drukowanych.

Pojęcie „systematyka” sugeruje,

że mamy do czynienia z bytem

uporządkowanym i poddającym się

logicznemu opisowi. I rzeczywiście

– zdecydowana większość stoso-

wanych obudów ma rejestrację za-

twierdzoną, przez jedną z instytucji

standaryzacyjnych np. JEDEC ( Joint

Electron Device Engineering Coun-

cil ) lub JEITA (Japan Electronics

and Information Technology Indus-

tries Association ). Wiele z funkcjo-

nujących w powszechnej świadomo-

ści oznaczeń, takich jak TO–92 lub

TO–220 to w istocie identyfikatory

opublikowanych przez JEDEC do-

kumentów zawierających dokładne

rysunki wymiarowe. Niestety, mimo

istnienia standardów, każda z firm

promuje przede wszystkim oznacze-

nia własne – zwłaszcza gdy jest au-

torem danej konstrukcji. Dlatego bę-

dziemy musieli się przyzwyczaić do

tego, że identyczny (lub zbliżony z

punktu widzenia projektu PCB) typ

obudowy może mieć kilka równo-

ważnych nazw. Lub wręcz przeciw-

nie – do tego, że między obudowa-

mi różnych producentów, noszącymi

podobne oznaczenia firmowe, wy-

stępują subtelne, lecz istotne różni-

ce. Na domiar złego, liczba wersji

obudów SMD znajdujących się w

czynnym użyciu, jest zdecydowanie

większa niż miało to miejsce w

technice tradycyjnej. Z tego punk-

tu widzenia, szczególnej wartości

nabierają końcowe – często lekce-

ważone – strony kart katalogowych

zawierające rysunki wymiarowe, a

także równoważne oznaczenia obu-

dów nadane przez instytucje standa-

ryzacyjne. Znajomość standardowego

symbolu zdecydowanie ułatwia szu-

Elektronika Praktyczna 4/2005

NOTATNIK PRAKTYKA

sygnału zerującego, natomiast w ich

5 i 6–nóżkowych wersjach – wzmac-

niacze operacyjne, pojedyncze bram-

ki logiczne, a nawet mikrokontrolery

(Microchip PIC10 w SOT–26). Jedno-

cześnie dyskretne tranzystory MOS-

FET małej mocy bywają umieszcza-

ne w „scalonych” obudowach SO–8,

wykorzystując do tego samego celu

po kilka zwartych nóżek.

Istniejące obecnie podziały w

konstrukcji obudów SMD mają

swoje źródła pochodzące jeszcze

z okresu montażu przewlekanego.

Tendencji do powiększania licz-

by wyprowadzeń przez dodawanie

kolejnych par do standardowych,

dwurzędowych obudów DIP stanę-

ło na drodze nadmierne wydłużanie

ścieżek sygnałowych, a także niewy-

starczająca mechaniczna sztywność

smukłej konstrukcji. W praktyce za-

trzymano się na rozmiarze DIP40 a

jedynie nieliczne firmy stosowały

obudowy DIP64 o standardowym ra-

strze 0,100” (2,54 mm) i nieporęcz-

nych gabarytach lub shrink –DIP64

o rastrze zawężonym do 0,070”

(1,778 mm). Dalsze działania kon-

struktorów zostały zatem skierowa-

ne w dwóch kierunkach:

– powrocie do kształtu zbliżone-

go do kwadratu i umieszcze-

niu wyprowadzeń na wszystkich

czterech bokach. Z tego kierun-

ku wywodzą się m.in. obudowy

PLCC, które pozwoliły na uloko-

wanie w rastrze 1,27 mm (0,05”)

max. 84 wyprowadzeń.

– rezygnacji z układu rzędowego

( In–line ) na rzecz matrycy wy-

prowadzeń ( Grid Array ). Przy-

kładem mogą tu być np. kilku-

setnóżkowe obudowy PGA ( Pin

Grid Array ) znane m.in. z wielu

serii procesorów PC – począw-

szy od rodziny 486 ( fot. 1 ).

Zmiana techniki montażu a w

konsekwencji wzrost upakowania

nie przeszkodziły jednak utrwaleniu

istniejącego podziału na trzy zasad-

nicze klasy:

– obudowy dwurzędowe wywodzą-

ce się w prostej linii z rodziny

DIP, a noszące w technologii

SMT nazwy zawierające wspól-

ny rdzeń SO ( Small Outline ).

Początkowo były to bliźniacze

względem DIP obudowy SOIC

(SO–xx) a następnie stopniowo

zagęszczane i spłaszczane obu-

dowy z rodziny SOP ( Small

Outline Package ) oznaczane

Fot. 2. Wyprowadzenie typu gull-

-wing (fragment obudowy SOP)

Fot. 1. Obudowa PGA (Pin Grid

Array

m.in. PSOP ( Plastic... ), SSOP

( Shrink... ), TSOP ( Thin... ), VSOP

( Very Thin... ).

– płaskie obudowy prostokątne

(najczęściej kwadratowe) z wy-

prowadzeniami rozmieszczonymi

na czterech bokach i zawiera-

jące w oznaczeniach literę Q

( Quad ). Wśród nich najliczniej

reprezentowane są obudowy z

rodziny QFP ( Quad Flat Pack )

takie jak np. PQFP, TQFP, VQFP

wyposażone w płaskie nóżki,

wystające poza obrys korpusu i

uformowane w kształcie przy-

pominającym skrzydło mewy

(stąd też pochodzi ich ang. na-

zwa gull–wings fot. 2 ). Obecnie

położono nacisk na rozwój sil-

nie zminiaturyzowanych obudów

„beznóżkowych” posiadających

płaskie wyprowadzenia ukryte

kanie i uzgadnianie odpowiedników.

Dużą pomocą w rozstrzyganiu ew.

wątpliwości służy portal organizacji

JEDEC ( www.jedec.org ) udostępnia-

jący, po bezpłatnej rejestracji, elek-

troniczne wersje wszystkich opubli-

kowanych dokumentów. Szczególnie

godna uwagi jest publikacja JEP–95

„JEDEC registered and standard

outlines for solid state and related

products” ( http://www.jedec.org/down-

load/pub95/default.cfm ) – zawierają-

ca usystematyzowane dane obudów

większości obecnych na rynku pod-

zespołów półprzewodnikowych. Roz-

poczynając korzystanie z zasobów

JEDEC warto zapoznać się z przy-

jętą konwencją oznaczeń. Znając

np. symbol DO–213AC (miniMELF)

należy szukać dokumentu o nazwie

DO–213 a następnie, w jego treści,

szczegółowych danych wariantu AC

danej obudowy.

Bezpowrotnie minęły czasy, gdy

pojęcie „układ scalony” budziło au-

tomatyczne skojarzenie z obudo-

wą DIP. Aktualna rozpiętość liczby

wyprowadzeń, mieszcząca się w

przedziale od dwóch do grubo po-

nad tysiąca powoduje, że nie da

się sprowadzić tej grupy obudów

do wspólnego mianownika. Zatarciu

uległa granica pomiędzy obudowami

tranzystorów i niewielkich układów

scalonych. W typowo „tranzysto-

rowych” obudowach SOT–23 i po-

krewnych umieszcza się m.in. źródła

referencyjne lub scalone generatory

0,5 mm

Fot. 3. Obudowa QFN (Quad Flat

Noleads) - przerzutnik 74AUC74

Elektronika Praktyczna 4/2005

NOTATNIK PRAKTYKA

Elektronika Praktyczna 4/2005

NOTATNIK PRAKTYKA

Fot. 4. Obudowa BGA (Ball Grid

Array)

liczbie wyprowadzeń upakowanych

na malejącej powierzchni, powodu-

je wprowadzanie na rynek trudnej

do ogarnięcia liczby nowych opra-

cowań. Każdy z producentów wyka-

zuje przy tym zrozumiałą skłonność

do podkreślania własnych osiągnięć,

m.in. za pomocą stosowania odręb-

nych nazw, często mających status

zarejestrowanych znaków towaro-

wych. Jeśli uwzględnimy fakt, że

w każdej z rodzin obudów możliwe

są dodatkowo specjalne wykonania

służące poprawie skuteczności od-

prowadzania ciepła, różne sposoby

montażu struktury (standardowy

– podłożem do dołu, lub odwró-

cony Flip Chip ), weźmiemy pod

uwagę nowo wprowadzane wyko-

nania bezołowiowe, to stwierdzimy,

że liczba stosowanych wersji sięga

setek a po uwzględnieniu odmian

wymiarowych i rozbieżności pomię-

dzy systemami oznaczeń różnych

producentów uzyskuje się ogromną

liczbę kombinacji wyrażaną wręcz

w tysiącach.

Nadmiernej anarchizacji w tej

dziedzinie ma zapobiegać wprowa-

dzenie przez JEDEC standardu JES-

D30 ustalającego jednolite zasady

tworzenia nazw obudów i znacze-

nie poszczególnych pojęć. Zakres

objęty tym dokumentem jest bardzo

szeroki i oprócz układów scalonych

obejmuje również obudowy elemen-

tów dyskretnych, przyrządów mocy,

a nawet podzespołów optoelektro-

nicznych. Twórcy standardu dołoży-

li starań, żeby w jak największym

stopniu zasymilować nazwy już

istniejące. Dzięki temu większość

wcześniej używanych określeń za-

chowała swoje znaczenie. Osoby

zainteresowane kompletną listą sym-

boli odsyłam do lektury JESD30,

natomiast tutaj przytoczymy kilka

najczęściej spotykanych pojęć wy-

jaśniając znaczenie jakie przypisano

im w standardzie.

Trzon nazwy obudowy stanowi

trzyliterowe oznaczenie podstawo-

wego typu złożone z dwuliterowe-

go oznaczenia kształtu korpusu i

jednoliterowego prefiksu kodującego

rozmieszczenie wyprowadzeń albo

jednoliterowego sufiksu niosącego

informację o kształcie wyprowa-

dzeń. Wśród dwuznakowych ozna-

czeń kształtu znajdują się m.in.:

– SO – Small Outline – obudowa

prostokątna z wyprowadzeniami

rozmieszczonymi wzdłuż dwóch

równoległych krawędzi.

– QF – Quad Flatpack – obudowa

prostokątna z wyprowadzeniami

umieszczonymi wzdłuż trzech lub

(najczęściej) czterech boków.

– GA – Grid Array – obudowa pro-

stokątna z wyprowadzeniami roz-

mieszczonymi w układzie regular-

nej matrycy zajmującej całą dolną

płaszczyznę korpusu.

Znajdziemy tu również takie, zna-

ne skądinąd symbole jak:

– IP – In–Line Package ,

– IM – In–Line Module.

Jednoliterowy przedrostek kodujący

rozmieszczenie wyprowadzeń możemy

odnaleźć m.in. w oznaczeniach:

– Sxx ( Single ) – wyprowadzenia

umieszczone w jednym rzędzie.

Np. SIP ( Single In–Line Package )

lub SIM ( Single In–Line Module )

znane m.in. z modułów pamięci

SIMM,

– Dxx ( Dual ) – wyprowadzenia w

dwóch rzędach zajmujące prze-

ciwległe boki obudowy, np. DIP

( Dual In–Line Package ) lub DIM

( Dual In–Line Module ) – znane

m.in. z modułów pamięci DIMM

posiadających dwa rzędy niezależ-

nych kontaktów po obu stronach

płytki drukowanej,

– Qxx ( Quad ) – wyprowadzenia

na czterech bokach prostokątne-

go korpusu,

– Bxx ( Bottom ) – wyprowadzenia

skierowane w stronę płaszczyzny

posadowienia układu. Określenie

to wprowadzono przede wszystkim

w celu zachowania w niezmienio-

w całości pod plastikowym kor-

pusem, reprezentowanych m.in.

przez rodzinę QFN ( Quad Flat

Noleads ) ( fot. 3 ).

– obudowy z matrycowym układem

wyprowadzeń ( Grid Array ) repre-

zentowane w dziedzinie SMD

przez bardzo liczną rodzinę BGA

( Ball Grid Array – fot. 4 ). Wspól-

ną cechą łączącą obudowy BGA

jest wykonanie wyprowadzeń w

postaci kulek stopu lutowniczego

ulegających (najczęściej) przeto-

pieniu podczas montażu.

Poruszając się w obszarze popu-

larnych podzespołów powszechnie

dostępnych na sklepowych półkach

raczej nie napotkamy większych

problemów. Zdecydowana większość

z nich (np. standardowych ukła-

dów logicznych o umiarkowanej

liczbie wyprowadzeń itp.) została

opracowana co najmniej dekadę

temu i mieści się w zaledwie kilku

typowych obudowach. Natomiast

dla osób zamierzających korzystać

z produktów bardziej wyrafinowa-

nych, zwłaszcza tych pochodzących

z ostatnich lat, nie mam niestety

dobrych wiadomości. Presja na wy-

twarzanie układów o coraz większej

Tab. 1. Zalecane przez JEDEC przedziały grubości obudów

Symbol

Nazwa

Wysokość obudowy A [mm]

–

Standard A >1,70 mm

Low

A <=1,70 mm A >1,20 mm

Thin

A <=1,20 mm A >1,00 mm

Very thin A <=1,00 mm A >0,80 mm

Very,very thin A <=0,80 mm A >0,65 mm

Ultra thin A <=0,65 mm A >0,50 mm

Fot. 5. Wyprowadzenie typu J

(fragment obudowy PLCC)

Extremely thin A <=0,50 mm

Elektronika Praktyczna 4/2005

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: