Componente electronice destinate tehnologiei SMT

Oniga Stefan Electronic Aplicat

2004

Tehnologia montrii pe suprafa sau SMT (SMT=Surface Mount Technology, in englez) s-a impus in ultimii ani ca principal metod de fabricaie a modulelor electronice. Tehnologia montrii pe suprafa a permis realizarea de module electronice mai performante i mai fiabile, cu greutate, volum i costuri mai sczute dect tehnologia anterioar, ce utilizeaz componente cu terminale pentru inserie THT (THT=ThroughHole Technology, n englez). Componentele electronice utilizate au primit denumiri corespunztoare acestor tehnologii. ntlnim astfel componentepentru montarea pe suprafa (SMD=Surface Mounted Devices, n englez) i componente cu terminale pentru inserie pe care le vom numi n continuare componente THT. O caracteristic definitorie pentru SMT este montarea componentelor electronice pe suprafaa circuitului imprimat, fr a ptrunde prin gurile practicate n circuitul imprimat, ca n tehnologia THT. Aceast modificare, minor la prima vedere, avea s influeneze practice toat industria electronic, de la proiectare, procese de prelucrare sau de asamblare, materiale i capsule ale componentelor electronice, etc. n figura 1 se prezinta un condensator ceramic montat n variantele SMT i THT. Se observa modul de conectare la circuitul imprimat, n cele dou cazuri. Se observ, deasemenea i faptul c varianta THT a condensatorului are dou lipituri suplimentare, cele ale terminalelor, fapt care constiutuie o surs de reducere a fiabilitii asamblrii.

Ideea montrii pe suprafa a componentelor nu este nou. Primele componente SMD, aa numitele flat packs sau capsule plate, au fost utitlizate la circuitele hibride in anii 1960. Metodele de proiectare i echipamentele tehnologice ale tehnologiei montrii pe suprafa actuale sunt ns diferite de cele de atunci. Tehnologia actual necesit regndirea profund a proceselor tehnologice alturi de o infrastructur corespunztoare care s le susin. n stadiul actual de dezvoltare nu toate componentele sunt disponibile n variant SMD i de aceea, procesul tehnologic trebiue s permit i utilizarea componentelor cu montare prin inserie.

2

Exist trei mari categorii de module SMT numite Tipul 1, Tipul 2, Tipul 3. Ordinea operaiilor i procesare sunt diferite pentru fiecare tip i fiecare variant necesit echipament diferit. Tipul 1 de subansamblu care conine numai componente cu montare pe suprafa, mai este numit SMT pur. Poate exista varianta echipat pe o fa sau pe ambele. Tipul 3 de subansamblu SMT conine numai componente discrete cu montare pe suprafa (cum ar fi rezistoare, condensatoare i tranzistoare) lipite pe partea inferioar a circuitului imprimat, pe faa superioar fiind componente THT. Tipul 2 de modul reprezint o combinaie ntre tipurile 1 si 3. De regul nu conine nici o component SMD integrat pe partea inferioar, dar poate conine componente discrete lipite pe aceast parte. Complexitatea modulelor electronice SMT poate fi crescut prin utilizarea alturi de componente SMD clasice cu pitch-ul de 50 mil (1000 mils = 1 inch; 50 mil=1,27mm) a componentelor fine pitch (0,5 mm) cu numr mare de terminale sau ultra fine pitch (sub 0,5 mm) de tipul QFP (Quad Flat Pack), BGA (Ball Grid Array) sau a componentelor discrete chip cu dimensiuni mici de tipul 0603, 0402, 0201 etc. detalii privind codificarea componentelor SMD vor fi date odat cu descrierea principalelor tipuri. Subansamblurile SMT complexe din ultima categorie amintit se vor numi Tip IC, Tip IIC i Tip IIIC. Aceast escriere a variantelor de module SMT nu este universal acceptat, dar este cea mai utilizat n industria electronic. Componentele cu montare pe suprafa de tipul pasiv sau active nu difer funcional de componentele cu terminale pentru inserie (THT), componente devenite acum clasice. Ceea ce le difereniaz este varianta diferit de package (ncapsulare) a celor dou. Componentele SMD asigur o densitate mare de echipare a circuitelor, n special prin dimensiunilor reduse ale acestora. Reducerea dimensiunilor este benefic nu numai pentru economisirea spaiului pe placa de circuit imprimat dar i pentru reducerea elementelor parazite ale componentelor, componentele SMD avnd astfel performane electrice superioare, acest lucru fiin valabil att pentru compnentele passive ct i pentru cele active. Aa cum s-a amintit, componentele SMD se monteaz pe suprafaa circuitului imprimat, fr a ptrunde prin gurile metalizate ca n tehnologia THT. n acest caz, zona lipiturii asigur pe lng contactul electric i robusteea mecanic a asamblrii, avnd un rol decisiv n fiabilitatea produsului electronic. Componentele SMD sunt destinate celor dou mari aplicaii: comerciale i militare. Pentru aplicaiile comerciale mediul ambient este mai bland i se pot utilize i capsule care nu sunt ermetice. Cerinele de temperature acoper intervalul de la 0 la 70C. Pentru aplicaiile militare sunt necesare ncapsulri ermetice care s poat fi utilizate n gama de temperature -55C i +125C. capsulele ermetice sunt scumpei se utilizeaz numai pentru produse cu grad nalt de fiabilitate. La realizarea acestora trebuie utilizate materiale cu coefficient de dilatare compatibil cu cel al substratului pe care vor fi montate. Exist desigur i produse la care se pot utiliza componente din ambele categorii pentru a satisface anumite cerine de fiabilitate impuse. O alt caracteristic comun componentelor SMD este solicitarea termic sporit a lor fa de componentele THT n timpul procesului de lipire. Aceast solicitare le face mai sensibile la apariia de crpturi datorate umiditii. Crpturile se produc atunci cnd umiditatea acumulat n component este eliberat brusc la apariia ocului termic provocat de procesul de lipire. Pe de alt parte, la lipirea prin procedeul reflow,

3

termina. Pe de alt parte, la lipirea prin procedeul reflow, terminiile componentelor SMD sunt mai puin solicitate termic dect terminalele componetelor THT la lipirea n val, temperature componentelor SMD n timpul lipirii fiind mai redus. De aceea, cerinele privind solderabilitatea sunt mai mari pentru componentele SMD. Acest fapt este accentuat i de tendina actual de diminuare a utilizrii fluxurilor active la asamblarea componentelor SMD. Alt caracteristic a componentelor SMD este faptul cA, datoritA dimensiunilor mici, marcarea lor este mai dificil, n special pentru componente discrete. Dac se pierde posibilitatea de identificare a acestora, atunci de cele mai multe ori componentele nu se mai utilizeaz. Desigur, este posibil msurarea lor, dar este o operaie mare consumatoare de timp. Dimensiunile mici ale componentelor i posibilitile limitate de identificare fac ca s se prefere plasarea automata a acestora.

Componente pasive SMDn ceea ce privete componentele passive SMD exist cteva categorii importante cum ar fi rezistoare n straturi groase sau cu pelicul metalic, condensatoare ceramice, condensatoare electrolitice cu tantal, alturi de care se impun i mai noile venite condensatoare cu aluminiu, rezistoare (semi)reglabile, condensatoare (semi)reglabile, inductoare, .a. Formele cele mai utilizate ale componentelor pasive sunt cele dreptunghiulare i cilindrice. Componentele pasive SMD au fost foarte repede asimilatei utilizate n produse deoarece ocup pe cablajul imprimat un spaiu egal cu jumtate din cel necesar pentru o component THT. n plus, ele se pot plasa pe faa inferioar a circuitului imprimat ca n cazul plcilor SMT de tipul 2 sau 3. Masa acestor componente este de circa 10 ori mai mic dact a componentelor similare cu terminale. Componentele SMD au fost utilizate pe scar larg n Japonia pentru industria bunurilor de larg consum i n SUA n industria automobilelor, preul lor scznd astzi sub preul componentelor THT.

Rezistoare SMD rectangulare tip chipCele mai utilizate tipuri de rezistoare pentru montarea pe suprafasunt rezistoarele cu form prismatic rectangular, rezistoare cunoscute sub numele de chip. n prezent se utilizeaz dou mari categorii de rezistoare dreptunghiulare pentru montarea pe suprafa: cu straturi groase (thick-film) i cu straturi subiri sau cu pelicul metalic (thin film). Rezistoarele cu straturi groase sunt realizate prin depunerea serigrafic a unei paste rezistive (n general bazat pe dioxid de ruteniu) pe un substrat plan de alumin cu puritatea de 96%. Tolerana dorit se obine prin ajustare cu laser. La rezistoarele cu straturi subiri elementul rezistiv este o pelicul de aliaj (de obicei Ni-Cr) pulverizat n vid pe un substrat izolator din alumin de nalt puritate, mai bun de 99,6%.

4

n figura 2 se observ elemental rezistiv aflat pe substratul ceramic. n partea superioar exist o glazur sticloas de proyecie sau pasivare. Contactarea terminalelor se face prin intermediul unui strat de aderen depus, utiliznd o pasta de Ag-Pd. Terminalele sunt reprezentate de un strat de lipire din Sn-Pb cu un procent mai mare de Pb dect aliajul eutectic. Acest strat este depus de regul prin imersarea componentei in topitur sau soluie chimic. Stratul de barier de nichel are un rol deosebit n a preveni dizolvarea stratului de argint sau de aur n aliajul de lipit ca urmare a nclzirii din timpul lipirii. Stratul pasivat superior are un rol deosebit n disiparea cldurii i trebuie ntotdeauna s fie montat corespunztor, spre spaiul liber, nu spre substrat. Rezistoarele n straturi groase se produc usual cu tolerane de la 1% la 20%. Coeficentul de variaie cu temperatura este de regul cuprins ntre 200 ppm/C i 50 ppm/C, avnd valori ceva mai mari pentru valori ale rezistenei peste 1 M. rezistoarele cu straturi subiri au tolerane mai mici, sub 1% (0.5%, 0.25%) iar coeficienii de variaie cu temperatur sunt mai buni de 25 ppm/C. domeniul de valori usual este cuprins ntre 1 i 100 M iar puterile nominale au valorile de 1/20, 1/16, 1/10, 1/8, 1/4 W. valorile sub 1 i peste 10 M sunt mprite de obicei n categorii aparte, numite in englez low ohmic, respective high ohmic, tolerana acestor rezistoare fiind ceva mai mare dect a seriei standard. Familia rezistoarelor rectangulare chip este completat de o component aparte care este rezistorul cu valoarea nominal de zero ohmi, care este utilizat ca jumper. Construcia acestor rezistoare este identical cu cea prezentat n figura 2, elemental

5

rezistiv fiind nlocuit cu un material conductor. Pentru aceste componente se precizeaz curentul nominal i rezistena maxima admis care este n general mai mica de 50 m. Specificarea rezistoarelor tip chip se face prin denumirile stabilite de standardele EIA (Electronic Industries Association). Denumirile reflect dimensiunile componentelor exprimate n sutimi de inch. De exemplu, componenta codificat ca 1206 are lungimea de 120 mils i limea de 60 mils. Trebuie fcut observaia c uneori tipul componentelor chip se precizeaz n sistemul metric, acest fapt putnd duce la unele confuzii. De exemplu rezistorul cu codul 1608 n sistemul metric are lungimea de 1.6 mm i limea de 0.8 mm, fiind practic echivalent cu tipul 0603 n codificarea EIA. Dei tipurile de componente pot varia de la productor se poate generaliza c rezistoarele 0201/0402 au puteri nominale de 1/20W, 0402/0603 de 1/16W, 0805 de 1/10W, 1206 de 1/8W i 1210 de 1/4W. Pentru rezistoarele jumper curentul nominal este de 1A, pentru tipurile 0402, 0603,0805 i de 2A pentru tipul 1206. Dimensiunile acestor componente se pot observa n figura 3.

Rezistoarele SMD se livreaz de regul n benzi i role (tape and reel) sau n vrac (bulk). n general, pentru rezistoarele mai mari ca 0805 valoarea nominal se marcheaz, iar pentru dimensiunile mai mici ca 0603 nu. Marcarea se realizeaz codificat respectnd n general standardele internaionale, dar pot fi ntlnite i coduri specifice de firm, i pentru nlturarea eventualelor ambiguiti ce pot s apar, este indicat ca pentru

6

fiecare tip de component s fie consultat catalogul firmei productoare, unde este prezentat modul de marcare. O variant a codului de marcare const din exprimarea cifrelor semnificative ale rezistenei nominale i a unui multiplicator. Pentru tolerane de 20%, 10% i 5%, respective pentru rezistoare cu valori nominale conform seriilor E6, E12 i E24 pentru exprimarea valorii nominale sunt necesare dou cifre semnificative iar codul folosit este de forma: XYM unde : X este prima cifr semnificativ, Y este a doua cifr semnificativ, iar M este ordinal de multiplicare (puterea lui 10) sau numarul de zerouri dup primele dou cifre X i Y. Valoarea obinut este exprimat n . Aceast codificare se poate utiliza numai pentru valori nominale mai mari ca 10 . Pentru valori sub 10 se utilizeaz litera R ca punct zecimal. Pentru tolerane mici de 2.5%, 2% i 1%, etc. fiind necesare trei cifre semnificative la exprimarea valorii nominale codul folosit are patru digii i este de forma: XYZM, cu X, Y ,Z cifre semnificative iar M ordinal de multiplicare. i n aceast variant pentru marcarea rezistenelor de valori mici, litera R are rolul punctului zecimal. n tabelul 2 sunt prezentate cteva exemple de marcare cu cele dou variante susamintite.

n cazul n care valoarea nominal necesit marcarea cu patru digii iar rezistorul are dimensiuni mici, se utilizeaz o marcare pe corpul rezistorului dup standardul EIA96 care reduce marcarea cu un digit. Conform acestei codificri numrul de ordine al unei valori nominale n seria de valori E96 codific chiar valoarea respectiv. Acest numar este cuprins ntre 1i 96, i formeaz primii doi digii ai codului, cel de-al treilea digit fiind de fapt o liter cu rol multiplicator. n tabelul 3 se prezint codificarea valorilor pentru cifrele semnificative conform standardului EIA-96.

7

Codul literal pentru multiplicator este urmtorul: S=10, R=10, A=10, B=10, C=10, D=10, E=10 la puterea 4, F=10 la putera 5. De exemplu, dac un rezistor este marcat 10C, valoarea nominal a sa este 124*10=12.4k. n figura 4 sunt prezentate trei exemple de marcare prin cele trei variante prezentate.

Mai trebuie semnalat o particularitate a rezistoarelor chip ce ine de fabricant. Astfel, unele firme produc rezistoare cu tolerane mici, de ex. 1%, care corespund seriei E96,dar cu valori nominale din seria E24 (5%). De exemplu, vom putea ntlni rezistoare cu valoarea nominal de 470 i tolerana de 1%. n conformitate cu tolerana de 1%, (seria E96) ar rzulta c valoarea nominal cea mai apropiat este de 475 si nu de 470. Pentru marcarea rezistoarelor jumper de 0 se utilizeaz codul 0 sau 000. Rezistoarele SMD chip prezint pe suprafaa superioar culoarea stratului de pasivare (negru, albastru, verde) iar pe cea inferioar culoarea materialului substratului

8

(alb) i se pot deosebi de condensatoare care au aceeai culoare pe ambele fee (de regul gri, maro, albastru, violet). Diferene eseniale exist ns n nlimea acestor componente, rezistoarele avnd aproximativ jumtate din nlimea condensatoarelor. Dimensiunea condensatoarelor este impus de grosimea dielectricului. Au fost sugestii de a realiza ezistoarele la aceeai dimensiune cu condensatoarele, dar acest lucru nsamna pierdere de material. nlimea diferit a condensatoarelor face ca pastilele de lipire s fie diferite pentru rezistoarele i condensatoarele chip, chiar dac au aceleai dimensiuni plane.

Rezistoare MELFAlturi de varianta rectangular chip se utilizeaz pentru rezistoarelecu montare pe suprafa i forma cilindric cunoscut sub denumirea de MELF-Metal Electrode Face. Uneori se utilizeaz i denumirea Metal Electrode (Leadless) Face-bonded. n varianta MELF se pot ntlni att rezistoare ct si doide, condensatoare ceramice i cu tantal. Rezistoarele MELF sunt de obicei rezistoare cu straturi subiri (pelicul metalic) depuse pe un corp cilindric din ceramic de tipul aluminei de nalt puritate (99,6%). Exist ns i rezistoare MELF cu pelicul de carbon pentru care se poate utiliza o ceramic cu puritate de 85%. Pentru stabilirea valorii reistenei are loc o operaie de spiralizare realizat cu un fasciol laser, operaie identic cu cea de la rezistoarele cilindrice THT, figura 5.

La capete se preseaz terminalele sub forma unor cpcele metalice. Rezistoarele MELF se marcheaz n codul culorilor ca i variantele de rezistoare cilindrice cu terminale. Aceste rezistoare sunt cu puin mai ieftine dect rezistoarele chip, dar lucrul cu componentele MELF este mai dificil deoarece aceste componente au tendina de a se rostogoli dup plasare, sau chiar n timpul procesului de lipire tip reflow. Dac se alege lipirea n val, care impune utilizarea unui adeziv n vederea fixrii pe placa de circuit imprimat, atunci dispare acest dezavantaj. Componentele MELF au fost mai mult utilizate n Japonia i Europa, i foarte puin utilizate n SUA. Rezistoarele MELF sunt identificate ca 0805 (2012), 1206 (3216), 1406 (3516) i 2309 (5923), n sistem tip inch, respectiv metric. Puterile nominale sunt 0.10W, 0.25W, 0.125W i 0.5W. Este de precizat c exist multe variaii de la productor la productor. Componentele MELF se livreaz sub form de role cu band.

9

Reele rezistive SMDReelele rezistive pentru montare pe suprafa sau R-pack se utilizeaz pentru a nlocui un numr mare de rezistoare discrete. Un alt avantaj imporatant pe lnga economia de spaiu este dat de faptul c rezistoarele au tolerane similare, variaii scu temperatura similare i sunt practic la aceeai temperatur a substratului. Variantele actuale sunt derivate din capsulele SOIC cu 16 sau 20 pini avnd o putere nominal ce variaz de la 1/2W la 2W pe capsul. Fiind utilizate destul de rar, reelele rezistive SMD au rmas componente relativ scumpe. O alternativ la reelele rezistive n capsule SO o constituie mai nou aprutele arii sau matrice rezistive (resistive arrays). Aceste reele rezistive sunt disponibile n capsule de dimensiunea rezistoarelor discrete, de exemplu 1206. Mai nou au aprut variaii de la aceste dimensiuni n scopul integrrii a ct mai multe rezistoare. Principalele tipuri de conectare a rezistoarelor n interiorul componentei sunt cele de tip izolat-rezistoare independente, sau de tip bus cu un terminal comun tuturor rezistoarelor. Exist ns in configuraii speciale cum ar fi reele de atenuare tip T, tip ?, n punte, etc.

Condensatoarele ceramice fr terminale au fost utilizate mult naintea apariiei tehnologiei montrii pe suprafa n montaje de radiofrecven, fiind preferate condensatoarelor cu terminale pentru inductana lor parazit mai mic. Condensatoarele SMD au fost utilizate la nceput pentru decuplarea circuitelor loguce, fiind plasate pe fa cu lipituri, imediat sub circuitele integrate.

Condensatoare ceramice multistratPentru varianta SMD, se utilizeaz n cvasitotalitatea cazurilor condensatoare ceramice multistrat chip cunoscute sub denumirea MLC (Multilayer Chip Capacitor). Aceste condensatoare s-au impus pentru capacitatea specific mare obinut, fapt ce permite o mai bun utilizare a suprafeei disponibile pe placa de circuit imprimat. Construcia acestor condensatoare este prezentat in figura 1.

10

Condensatoarele multistrat ceramice sunt construite prin stratificarea unor folii dielectrice ceramice care prezint depuneri conductoare metalice, cu rol de armturi, folii aflate n stare verde. Depunerea armturilor se realizeaz prin serigrafie i este conceput astfel nct, dup tierea foliilor, la un capt s existe un spaiu de gard. Foliile se aranjeaz apoi astfel nct zona terminal s alterneze. Forma final chip se obine dup presare, tiere i tratament termic (sintetizare) la circa 1200C. Pentru contactare, se utilizieaz ca i n cazul rezistoarelor un strat de argint sau argint-paladiu urmat de un strat de barier de nichel, strat peste care se realizeaz metalizarea final cu Sn-Pb sau Sn, n funcie de cerinele de lipire. Depunerea de nichel previne dizolvarea stratului de argint n stratul exterior de Sn-Pb sau Sn. Materialele ceramice de tip I sau II fiind cele mai utilizate la fabricarea condesatoarelor detemin i modul de utilizare n circuit: condensatoare cu rol de control (al frecvenei, al duratei impulsurilor, etc.) respectiv condensatoare de filtrare/decuplare. Pentru aplicaii unde se cere o bun stabilitate ntr-un domeniu extins de temperatur se utilizeaz condensatoarele cu delectric ceramic de tipI. n aplicaii unde este necesar s utilizm o capacitate mai mare concentrat ntr-un volum mai mic, iar stabilitatea acesteia cu temperatura este mai puin imporatant se utilizeaz condensatoarele de tip II. Cel mai utilizat dielectric de tip I pentru condensatoarele SMD este cel codificat COG (sau NP0). Variaia capacitii cu temperatur pentru condensatoarele COG este de 30ppm/C, ceea ce nseamn o abatere relativ a capacitii de 0.3% ntre -55C i +125C. Aceste condensatoare prezint de asemenea pierderi foarte mici (tg