eng
Выпуск #1/2012
А.Нисан
Стандарты IPC по проектированию и сборке плат с компонентами с контактными площадками на нижней стороне корпуса
Стандарты IPC по проектированию и сборке плат с компонентами с контактными площадками на нижней стороне корпуса
Просмотры: 3742
Компоненты с контактными площадками на нижней стороне корпуса (bottom termination component, BTC) находят все более широкое применение благодаря меньшей толщине корпуса, меньшей площади посадочного места на плате, меньшим паразитным параметрам корпуса, более высоким тепловым характеристикам. В то же время, применение таких компонентов порождает ряд вопросов, например, относительно выбора размеров контактных площадок, шага и диаметра переходных отверстий в теплоотводящей площадке, а также способа защиты этих отверстий от затекания в них припоя, проектирования трафарета для нанесения оптимального количества пасты, профиля пайки. В статье на основе стандартов IPC рассматриваются эти и другие актуальные вопросы применения компонентов BTC.
Теги: land pattern design solder connections quality vias protection variants варианты защиты переходных отверстий качество паяных соединений проектирование посадочных мест
В 2011 году Ассоциацией IPC был выпущен стандарт, работа над которым началась еще в 2008году - IPC-7093 "Руководство по конструированию и процессу сборки с применением компонентов с контактными площадками на нижней стороне корпуса" ("Design and Assembly Process Implementation for Bottom Termination Components"). В частности, к таким корпусам относятся квадратный плоский безвыводной корпус QFN (quad flat no lead), малогабаритный безвыводной корпус SON (small outline no lead) и корпус с матричным расположением контактных площадок LGA (land grid array) (рис.1). Этот стандарт, а также ряд других стандартов Ассоциации IPC (см. врезку) в достаточно полной мере разрешают ряд вопросов, возникающих при применении компонентов ВТС. Рассмотрим некоторые из них.
Проектирование посадочных мест
Контактные площадки
Размеры контактных площадок на печатных платах для монтажа как поверхностно-монтируемых, так и штырьковых компонентов определяются стандартом IPC-7351B. Стандарт регламентирует размеры контактных площадок для трех уровней плотности монтажа: уровень A соответствует низкой плотности монтажа, B – средней, C – высокой. Для уровня A предусматривается максимальный выступ контактных площадок за пределы вывода, для уровня C – минимальный.
К этому стандарту прилагается диск с разработанной компанией Mentor Graphics программой LP Calculator, позволяющей не только просматривать библиотеки посадочных мест под всевозможные компоненты, но и в соответствии с требованиями IPC-7351B рассчитывать размеры контактных площадок, вводя исходную информацию о типе и размерах корпуса. Например, в корпусах типа QFN контактные площадки могут быть выведены (рис.2а) и не выведены (рис.2б) на торец корпуса. Соответственно, размеры контактных площадок на печатной плате для таких корпусов должны быть различны, программа LP Calculator позволяет их определить. На рис.3 и в табл.1 приведен пример расчета размеров контактных площадок на плате под корпус QFN48 с шагом контактов 0,5 мм для двух случаев: контактные площадки заходят и не заходят на торец корпуса. Размеры корпуса QFN48:
Ширина и длина корпуса, мин., мм 6,85
Ширина и длина корпуса, макс. 7,15
Высота корпуса, макс., мм 1,00
Ширина контактных площадок,
мин., мм 0,18
Ширина контактных площадок,
макс., мм 0,30
Размеры теплоотводящей контактной
площадки, макс., мм 5,25×5,25
Окна в паяльной маске
Стандарт IPC-7093 рекомендует использовать контактные площадки, не ограниченные паяльной маской, причем окно в паяльной маске должно быть на 120–150 мкм больше контактной площадки (рис.4). Для обеспечения адгезии паяльной маски к плате минимальная ширина перемычки паяльной маски должна быть 75 мкм. Поэтому при шаге контактов 0,5 мм и более выполняются индивидуальные окна в паяльной маске под каждую контактную площадку, а при меньшем шаге контактов – одно окно на ряд контактных площадок (рис.5).
Переходные отверстия в теплоотводящих площадках
Рекомендуемый стандартом IPC-7093 со ссылкой на National Semiconductors диаметр матрично расположенных переходных отверстий в теплоотводящей площадке составляет 0,2–0,33 мм, шаг отверстий – 1,27 мм (рис.6). Также в стандарте сказано, что обычно поставщики компонентов BTC рекомендуют располагать переходные отверстия в теплоотводящих площадках с шагом 1,0–1,2 мм при диаметре отверстий 0,3–0,4 мм.
При пайке припой может затекать в открытые переходные отверстия в контактной площадке, что приводит к уменьшению высоты паяного соединения. Чтобы это предотвратить, могут использоваться различные способы защиты, описанные в стандарте IPC-4761 (табл.2).
Альтернативой способам, рассмотренным в табл.2, может служить расположение паяльной маски на контактной площадке, окружающей переходное отверстие, без перекрытия самого отверстия (рис.7). Преимущество данного способа – в паяном соединении образуется мало пустот (рис.8), но при этом практически неизбежно затекание припоя в отверстия. В результате, помимо уменьшения высоты паяного соединения, припой может выступать из отверстий с нижней стороны платы, что препятствует качественному нанесению паяльной пасты на плату методом трафаретной печати.
Проектирование трафарета
Согласно IPC-7093, в общем случае оптимальная высота паяных соединений составляет от 50 до 75 мкм, что необходимо учитывать при проектировании трафарета. В стандарте приведены следующие рекомендации относительно отверстий для нанесения паяльной пасты на контактные площадки (за исключением теплоотводящей площадки):
отношение площади отверстия к площади стенок отверстия – более 0,66: LW / ( 2T ( L + W )) > 0,66, где L – длина отверстия в трафарете, W – ширина отверстия в трафарете, T – толщина трафарета;
отношение ширины отверстия к толщине трафарета–более 1,5: W / T > 1,5;
метод изготовления – лазерная резка с последующей электрополировкой;
скругленные углы в отверстиях;
толщина трафарета: при шаге выводов 0,5 мм и менее – 125 мкм, при большем шаге выводов – 150 мкм;
ширина и длина отверстий равны ширине и длине контактных площадок. Отверстия могут быть уменьшены, если на компоненте контактные площадки не заходят на торцы корпуса, так как в этом случае уменьшается паяемая площадь.
В стандарте IPC-7525A детализуются требования к размерам отверстий в трафарете относительно размеров контактных площадок в зависимости от того, какая паяльная паста будет наноситься: оловянно-свинцовая или бессвинцовая. В первом случае при шаге выводов 0,4–1,3 мм рекомендуется уменьшать ширину отверстий (за исключением угловых) на 0,03–0,08 мм, а длину – на 0,05–0,13 мм относительно контактных площадок на плате. Во втором случае размеры отверстий (за исключением угловых) либо равны размерам контактных площадок на плате, либо только ширина отверстий уменьшается на 0,025 мм.
Ширина отверстий в трафарете для нанесения паяльной пасты на угловые контактные площадки должна в 1,25–1,5 раза превышать ширину контактных площадок. Это предотвращает поворот компонента при пайке.
Особый случай – отверстия для нанесения пасты на теплопроводящие контактные площадки. При больших размерах (>5 мм) теплоотводящей контактной площадки рекомендуется уменьшать площадь отверстий в трафарете до 50–80% от площади теплоотводящей площадки (рис.9). При этом следует избегать размещения отверстий в трафарете над переходными отверстиями в теплоотводящей контактной площадке во избежание прямого попадания пасты в переходные отверстия.
Рекомендации по профилям пайки
В качестве финишных покрытий контактов компонентов BTC сейчас используется олово-свинец, золото, олово и палладий. Для качественной пайки важно выбрать паяльную пасту с припоем и флюсом, совместимыми с финишным покрытием компонентов и плат. Типовые значения параметров профилей пайки оловянно-свинцовыми и бессвинцовыми припоями приведены в табл.3.
Критерии качества паяных соединений
Критерии качества паяных соединений устанавливаются стандартом IPC-A-610E. Что касается компонентов с контактными площадками на нижней стороне корпуса, то фактически в стандарте приводятся конкретные требования только по боковому и торцевому смещениям, а также ширине галтели с торца (табл.4, рис.10). Максимально допустимое содержание пустот предлагается согласовывать между производителем и заказчиком.
Пустоты в паяном соединении потенциально могут ухудшать электрические и тепловые характеристики быстродействующих устройств (например, из-за увеличения пути тока), а также тепловых характеристик. Однако маловероятно, что на них может существенно повлиять наличие небольших распределенных пустот в паяном соединении. Стандарт IPC-7093 рекомендует, чтобы максимальный размер отдельной пустоты в паяном соединении теплоотводящей площадки не превышал шага между переходными отверстиями. Результаты теплового моделирования (рис.11), свидетельствуют о том, что наличие небольших пустот суммарной площадью до 50% от контактной площадки практически не сказывается на тепловых характеристиках.
Эффективным способом оценки качества паяных соединений компонентов в корпусах QFN, SON и LGA является рентгеновский контроль (рис.12–14). Снимки сделаны в технологическом центре ЗАО Предприятие Остек на системе рентгеновского контроля microme|x. На рис.12 показано смещение компонента, являющегося, в соответствии со стандартом IPC-A-610E, дефектом для изделий классов 2 и 3, но допустимым для изделий класса 1. Отсутствие припоя проиллюстрировано на рис.13: на правую контактную площадку не нанесена паяльная паста. Левое паяное соединение на этом снимке в соответствии с требованиями стандарта IPC-A-610E не является дефектом, несмотря на неполное растекание припоя по контактной площадке. На рис.14 продемонстрирован рентгеновский снимок двух паяных соединений с нарушением минимального электрического зазора. Избыточное количество припоя, а также шарики припоя нарушают минимальный электрический зазор, что является дефектом. По стандарту IPC-2221A минимальный электрический зазор составляет 130 мкм при напряжении не более 15 В.
Итак, мы затронули наиболее часто встречающиеся вопросы по применению компонентов в корпусах QFN, LGA, SON. Это лишь вершина айсберга актуальной информации, содержащейся в упомянутых стандартах IPC. Возможность приобретения стандартов IPC-A-610E и IPC-7525A на русском языке устраняет языковой барьер и делает эти стандарты доступнее. Для получения дополнительной информации по этим и другим стандартам и для приобретения стандартов можно обращаться в отдел технологических материалов ЗАО Предприятие Остек по тел. (495) 788-44-44 или по электронной почте materials@ostec-group.ru. С аннотациями и оглавлениями стандартов можно ознакомиться на нашем сайте: http://www.ostec-smt.ru/standards. ●
Проектирование посадочных мест
Контактные площадки
Размеры контактных площадок на печатных платах для монтажа как поверхностно-монтируемых, так и штырьковых компонентов определяются стандартом IPC-7351B. Стандарт регламентирует размеры контактных площадок для трех уровней плотности монтажа: уровень A соответствует низкой плотности монтажа, B – средней, C – высокой. Для уровня A предусматривается максимальный выступ контактных площадок за пределы вывода, для уровня C – минимальный.
К этому стандарту прилагается диск с разработанной компанией Mentor Graphics программой LP Calculator, позволяющей не только просматривать библиотеки посадочных мест под всевозможные компоненты, но и в соответствии с требованиями IPC-7351B рассчитывать размеры контактных площадок, вводя исходную информацию о типе и размерах корпуса. Например, в корпусах типа QFN контактные площадки могут быть выведены (рис.2а) и не выведены (рис.2б) на торец корпуса. Соответственно, размеры контактных площадок на печатной плате для таких корпусов должны быть различны, программа LP Calculator позволяет их определить. На рис.3 и в табл.1 приведен пример расчета размеров контактных площадок на плате под корпус QFN48 с шагом контактов 0,5 мм для двух случаев: контактные площадки заходят и не заходят на торец корпуса. Размеры корпуса QFN48:
Ширина и длина корпуса, мин., мм 6,85
Ширина и длина корпуса, макс. 7,15
Высота корпуса, макс., мм 1,00
Ширина контактных площадок,
мин., мм 0,18
Ширина контактных площадок,
макс., мм 0,30
Размеры теплоотводящей контактной
площадки, макс., мм 5,25×5,25
Окна в паяльной маске
Стандарт IPC-7093 рекомендует использовать контактные площадки, не ограниченные паяльной маской, причем окно в паяльной маске должно быть на 120–150 мкм больше контактной площадки (рис.4). Для обеспечения адгезии паяльной маски к плате минимальная ширина перемычки паяльной маски должна быть 75 мкм. Поэтому при шаге контактов 0,5 мм и более выполняются индивидуальные окна в паяльной маске под каждую контактную площадку, а при меньшем шаге контактов – одно окно на ряд контактных площадок (рис.5).
Переходные отверстия в теплоотводящих площадках
Рекомендуемый стандартом IPC-7093 со ссылкой на National Semiconductors диаметр матрично расположенных переходных отверстий в теплоотводящей площадке составляет 0,2–0,33 мм, шаг отверстий – 1,27 мм (рис.6). Также в стандарте сказано, что обычно поставщики компонентов BTC рекомендуют располагать переходные отверстия в теплоотводящих площадках с шагом 1,0–1,2 мм при диаметре отверстий 0,3–0,4 мм.
При пайке припой может затекать в открытые переходные отверстия в контактной площадке, что приводит к уменьшению высоты паяного соединения. Чтобы это предотвратить, могут использоваться различные способы защиты, описанные в стандарте IPC-4761 (табл.2).
Альтернативой способам, рассмотренным в табл.2, может служить расположение паяльной маски на контактной площадке, окружающей переходное отверстие, без перекрытия самого отверстия (рис.7). Преимущество данного способа – в паяном соединении образуется мало пустот (рис.8), но при этом практически неизбежно затекание припоя в отверстия. В результате, помимо уменьшения высоты паяного соединения, припой может выступать из отверстий с нижней стороны платы, что препятствует качественному нанесению паяльной пасты на плату методом трафаретной печати.
Проектирование трафарета
Согласно IPC-7093, в общем случае оптимальная высота паяных соединений составляет от 50 до 75 мкм, что необходимо учитывать при проектировании трафарета. В стандарте приведены следующие рекомендации относительно отверстий для нанесения паяльной пасты на контактные площадки (за исключением теплоотводящей площадки):
отношение площади отверстия к площади стенок отверстия – более 0,66: LW / ( 2T ( L + W )) > 0,66, где L – длина отверстия в трафарете, W – ширина отверстия в трафарете, T – толщина трафарета;
отношение ширины отверстия к толщине трафарета–более 1,5: W / T > 1,5;
метод изготовления – лазерная резка с последующей электрополировкой;
скругленные углы в отверстиях;
толщина трафарета: при шаге выводов 0,5 мм и менее – 125 мкм, при большем шаге выводов – 150 мкм;
ширина и длина отверстий равны ширине и длине контактных площадок. Отверстия могут быть уменьшены, если на компоненте контактные площадки не заходят на торцы корпуса, так как в этом случае уменьшается паяемая площадь.
В стандарте IPC-7525A детализуются требования к размерам отверстий в трафарете относительно размеров контактных площадок в зависимости от того, какая паяльная паста будет наноситься: оловянно-свинцовая или бессвинцовая. В первом случае при шаге выводов 0,4–1,3 мм рекомендуется уменьшать ширину отверстий (за исключением угловых) на 0,03–0,08 мм, а длину – на 0,05–0,13 мм относительно контактных площадок на плате. Во втором случае размеры отверстий (за исключением угловых) либо равны размерам контактных площадок на плате, либо только ширина отверстий уменьшается на 0,025 мм.
Ширина отверстий в трафарете для нанесения паяльной пасты на угловые контактные площадки должна в 1,25–1,5 раза превышать ширину контактных площадок. Это предотвращает поворот компонента при пайке.
Особый случай – отверстия для нанесения пасты на теплопроводящие контактные площадки. При больших размерах (>5 мм) теплоотводящей контактной площадки рекомендуется уменьшать площадь отверстий в трафарете до 50–80% от площади теплоотводящей площадки (рис.9). При этом следует избегать размещения отверстий в трафарете над переходными отверстиями в теплоотводящей контактной площадке во избежание прямого попадания пасты в переходные отверстия.
Рекомендации по профилям пайки
В качестве финишных покрытий контактов компонентов BTC сейчас используется олово-свинец, золото, олово и палладий. Для качественной пайки важно выбрать паяльную пасту с припоем и флюсом, совместимыми с финишным покрытием компонентов и плат. Типовые значения параметров профилей пайки оловянно-свинцовыми и бессвинцовыми припоями приведены в табл.3.
Критерии качества паяных соединений
Критерии качества паяных соединений устанавливаются стандартом IPC-A-610E. Что касается компонентов с контактными площадками на нижней стороне корпуса, то фактически в стандарте приводятся конкретные требования только по боковому и торцевому смещениям, а также ширине галтели с торца (табл.4, рис.10). Максимально допустимое содержание пустот предлагается согласовывать между производителем и заказчиком.
Пустоты в паяном соединении потенциально могут ухудшать электрические и тепловые характеристики быстродействующих устройств (например, из-за увеличения пути тока), а также тепловых характеристик. Однако маловероятно, что на них может существенно повлиять наличие небольших распределенных пустот в паяном соединении. Стандарт IPC-7093 рекомендует, чтобы максимальный размер отдельной пустоты в паяном соединении теплоотводящей площадки не превышал шага между переходными отверстиями. Результаты теплового моделирования (рис.11), свидетельствуют о том, что наличие небольших пустот суммарной площадью до 50% от контактной площадки практически не сказывается на тепловых характеристиках.
Эффективным способом оценки качества паяных соединений компонентов в корпусах QFN, SON и LGA является рентгеновский контроль (рис.12–14). Снимки сделаны в технологическом центре ЗАО Предприятие Остек на системе рентгеновского контроля microme|x. На рис.12 показано смещение компонента, являющегося, в соответствии со стандартом IPC-A-610E, дефектом для изделий классов 2 и 3, но допустимым для изделий класса 1. Отсутствие припоя проиллюстрировано на рис.13: на правую контактную площадку не нанесена паяльная паста. Левое паяное соединение на этом снимке в соответствии с требованиями стандарта IPC-A-610E не является дефектом, несмотря на неполное растекание припоя по контактной площадке. На рис.14 продемонстрирован рентгеновский снимок двух паяных соединений с нарушением минимального электрического зазора. Избыточное количество припоя, а также шарики припоя нарушают минимальный электрический зазор, что является дефектом. По стандарту IPC-2221A минимальный электрический зазор составляет 130 мкм при напряжении не более 15 В.
Итак, мы затронули наиболее часто встречающиеся вопросы по применению компонентов в корпусах QFN, LGA, SON. Это лишь вершина айсберга актуальной информации, содержащейся в упомянутых стандартах IPC. Возможность приобретения стандартов IPC-A-610E и IPC-7525A на русском языке устраняет языковой барьер и делает эти стандарты доступнее. Для получения дополнительной информации по этим и другим стандартам и для приобретения стандартов можно обращаться в отдел технологических материалов ЗАО Предприятие Остек по тел. (495) 788-44-44 или по электронной почте materials@ostec-group.ru. С аннотациями и оглавлениями стандартов можно ознакомиться на нашем сайте: http://www.ostec-smt.ru/standards. ●
Отзывы читателей
