ΠΜΣ Προηγμένα Συστήματα & Μέθοδοι στη Βιοϊατρική Τεχνολογία

Transcript

1 ΠΜΣ Προηγμένα Συστήματα & Μέθοδοι στη Βιοϊατρική Τεχνολογία ΘΕΜΑΤΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ 2.1 ΒΙΟΪΑΤΡΙΚΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΑ ΚΑΙ ΙΑΤΡΙΚΗ ΟΡΓΑΝΟΛΟΓΙΑ, ΕΜΒΙΟ- ΜΗΧΑΝΙΚΗ & ΠΡΟΣΘΕΤΙΚΗ Ενότητα: Σχεδιασμός και Κατασκευή Σμικρυσμένων Πλακετών ΣΗΜΕΙΩΣΕΙΣ: Διαδικασία Κατασκευής Τυπωμένων Κυκλωμάτων SMD Ιωάννης Γ. Βαλαής, Αναπλ. Καθηγητής, Τμήμα Μηχανικών Βιοϊατρικής Τεχνολογίας, Σχολή Τεχνολογικών Εφαρμογών, Τ.Ε.Ι. Αθήνας

2 Κατασκευές χρησιμοποιώντας Τεχνολογία Επιφανειακής Τοποθέτησης (Surface Mount Technology) Εισαγωγή Η Τεχνολογία Επιφανειακής Τοποθέτησης (SMT) αναπτύχθηκε στη δεκαετία του 1960 και άρχισε να χρησιμοποιείται ευρέως στα τέλη του Μεγάλο μέρος της πρωτοποριακής εργασίας σε αυτή την τεχνολογία ήταν από την IBM. Η πρώτη προσέγγιση έγινε από την IBM το 1960 σε έναν υπολογιστή μικρής κλίμακας. Τα εξαρτήματα επανασχεδιάστηκαν μηχανικά έτσι ώστε να έχουν μικρές μεταλλικές ακίδες που θα μπορούσαν να είναι συγκολλημένες απευθείας στην επιφάνεια του εκτυπωμένου κυκλώματος πλακέτας (PCB). Τα εξαρτήματα έγιναν πολύ μικρότερα και η τοποθέτηση των εξαρτημάτων και στις δύο πλευρές της πλακέτας έγινε πολύ πιο εύκολη, επιτρέποντας πολύ υψηλότερες πυκνότητες κυκλώματος. Συχνά μόνο οι σύνδεσμοι συγκόλλησης συγκρατούν τα εξαρτήματα στην πλακέτα, σε σπάνιες περιπτώσεις, στο κάτω μέρος ή στη δεύτερη πλευρά της πλακέτας μπορεί να προστεθεί και μια κόλλα για να συγκρατήσει τα εξαρτήματα εάν έχουν μεγάλο μέγεθος ή βάρος. Η κόλλα χρησιμοποιείται μερικές φορές για να συγκρατήσει τα εξαρτήματα SMT στην κάτω πλευρά της πλακέτας. Εναλλακτικά, τα εξαρτήματα SMT και τα εξαρτήματα THT μπορούν να συγκολληθούν μεταξύ τους χωρίς κόλλα αν τα τμήματα SMT είναι πρώτα συγκολλημένα με την τεχνική reflow. Η επιφανειακή τοποθέτηση διαθέτει υψηλό βαθμό αυτοματοποίησης, μείωση του κόστους εργασίας και μέσω της τεχνολογίας αυτής αυξάνεται κατά πολύ ο ρυθμός παραγωγής. Οι Συσκευές Επιφανειακής Τοποθέτησης (Surface Mount Devices, SMDs) μπορεί να είναι από ένα τέταρτο έως το ένα δέκατο του μεγέθους και του βάρους, και από το ήμισυ έως το ένα τέταρτο του κόστους του ισοδύναμου εξαρτήματος διαμπερούς οπής. Σήμερα όλα τα μαζικής παραγωγής ηλεκτρονικά εξαρτήματα που υπάρχουν κατασκευάζονται με χρήση της τεχνολογίας επιφανειακής τοποθέτησης, SMT[1-11]. Μόλις η SMT άρχισε να χρησιμοποιείται, στις αρχές του 1980, η αλλαγή από τα συμβατικά εξαρτήματα από μόλυβδο στα SMDs έγινε πιο γρήγορα λόγω των τεράστιων κερδών που θα μπορούσαν να υπάρξουν με τη χρήση SMT. Ο πολύ μικρός όγκος των σημερινών ηλεκτρονικών συσκευών, οφείλεται κατά κύριο λόγο στην Τεχνολογία Επιφανειακής Τοποθέτησης ( Surface Mount Technology, SMT), ενώ πολλά νέα ολοκληρωμένα διατίθενται πλέον μόνο σε συσκευασία SMD (Συσκευή Επιφανειακής Τοποθέτησης). Οι μικροσκοπικές αυτές συσκευές ενδέχεται να δημιουργήσουν προβλήματα στους ερασιτέχνες των ηλεκτρονικών, τα οποία δεν περιορίζονται απλά στο κόστος αγοράς εξειδικευμένων εργαλείων SMT. Η SMT χρησιμοποιείται σχεδόν αποκλειστικά για την κατασκευή ηλεκτρονικής πλακέτας. Είναι μικρότερη, συχνά προσφέρει ένα καλύτερο επίπεδο απόδοσης καθώς μπορεί να χρησιμοποιηθεί με αυτοματοποιημένο τρόπο. Τα ενσύρματα εξαρτήματα ήταν πάντα δύσκολο να αντικατασταθούν αυτόματα γιατί τα καλώδια που απαιτούνται πρέπει να είναι προ-διαμορφωμένα.

3 Αν και πολλοί υποδοχείς και κάποια άλλα εξαρτήματα εξακολουθούν να απαιτούν τη βοήθεια καλωδίων τοποθέτησης, οι πλακέτες τυπωμένων κυκλωμάτων SMT που έχουν αναπτυχθεί έχουν μειώσει το φαινόμενο αυτό στο ελάχιστο, ακόμη και στο βαθμό του σχεδιασμού για χρήση εξαρτημάτων που τοποθετούνται αυτόματα. Εκτός από αυτό, οι κατασκευαστές εξαρτημάτων έχουν αναπτύξει κάποια εξειδικευμένη επιφάνεια τοποθέτησης των στοιχείων που επιτρέπουν την σχεδόν πλήρη αυτοματοποιημένη συναρμολόγηση για τις περισσότερες πλακέτες. Σχήμα 4. Τεχνολογία Επιφανειακής Τοποθέτηση σε Συσκευή Κινητού Τηλεφώνου. Όπως λέει και το όνομα, η συσκευή επιφανειακής στήριξης, SMD, στερεώνεται επάνω στην επιφάνεια της πλακέτας του κυκλώματος PCB. Δεν χρειάζεται δηλαδή να ανοιχτούν οπές στην πλακέτα για να περάσουν οι ακροδέκτες και να κολληθούν, δεδομένου ότι οι επαφές του εξαρτήματος κολλιούνται επάνω στα ίχνη ή τις περιοχές όπου καταλήγουν οι χάλκινοι διάδρομοι της πλακέτας. Μην έχοντας λοιπόν ακροδέκτες, τα εξαρτήματα SMD είναι κατά πολύ μικρότερα από τα συμβατικά, απαιτούν λιγότερο χώρο στην πλακέτα και συντελούν σε πολύ πιο μαζεμένες κατασκευές. Οι σημαντικά μικρότεροι ακροδέκτες βελτιώνουν επίσης τα χαρακτηριστικά των εξαρτημάτων RF και αφού αυτά κολληθούν επάνω στην πλακέτα είναι σίγουρο ότι θα παραμείνουν στην ίδια πάντα απόσταση από αυτή. Το συγκεκριμένο χαρακτηριστικό είναι πολύ σημαντικό στις υψηλές συχνότητες και διευκολύνει σημαντικά την αναπαραγωγή της κατασκευής. Το κύκλωμα ενός κινητού τηλεφώνου μοιάζει με ένα κοινό κύκλωμα αλλά τα μέρη της πλακέτας τυπωμένου κυκλώματος (PCB) του κινητού τηλεφώνου είναι δια φορετικά από τα συνηθισμένα ηλεκτρονικά εξαρτήματα τύπου through-hole.

4 Σχήμα 5. SMD εξαρτήματα κινητού τηλεφώνου. Οι συσκευές επιφανειακής στήριξης SMD είναι ηλεκτρονικά εξαρτήματα που συγκολλούνται ή συναρμολογούνται εύκολα στην επιφάνεια πάνω στην πλακέτα. Οι περισσότερες πλακέτες είναι πολυστρωματικές που σημαίνει ότι έχουν περισσότερες από μία στρώσεις. Η τεχνική της συγκόλλησης εξαρτημάτων SMD ονομάζεται SMT (Surface Mount Technology). Πλεονεκτήματα των SMD Τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα τύπου SMD προσφέρουν πολλά πλεονεκτήματα. Το κύριο πλεονέκτημα είναι η εξοικονόμηση χώρου. Το μέγεθος των κινητών τηλεφώνων έχει μειωθεί σημαντικά λόγω της χρήσης των εξαρτημάτων SMD. Τα εξαρτήματα SMD καταναλώνουν λιγότερη ηλεκτρική ενέργεια και έχουν μικρότερη απώλεια της τάσης. Επί του παρόντος, τα SMD χρησιμοποιούνται σε εξαιρετικά σύγχρονες ηλεκτρονικές συσκευές όπως κινητά τηλέφωνα, smartphone, υπολογιστές, φορητούς υπολογιστές, τάμπλετ. Όλα τα εξαρτήματα που χρησιμοποιούνται στην SMT είναι ως επί το πλείστων με τη μορφή των τσιπ ή IC (ολοκληρωμένων κυκλωμάτων). Αυτά τα τσιπ ή ICs κατατάσσονται σε διαφορετικές κατηγορίες ανάλογα με τη λειτουργία τους. Αυτά τα εξαρτήματα τοποθετούνται απευθείας σε συγκεκριμένο μέρος χαλκού σε τυπωμένο κύκλωμα χρησιμοποιώντας την τεχνολογία συγκόλλησης SMT[3-20]. Η επιφάνεια τοποθέτησης εξαρτημάτων είναι μικρή και μπορεί να τοποθετηθεί σε κάθε πλευρά του PCB οπότε έχει αποκτήσει ευρεία χρήση στα ηλεκτρονικά. Τα πιο σημαντικά οφέλη είναι η σημαντική εξοικονόμηση βάρους και η μείωση ηλεκτρικού θορύβου. Τα εξαρτήματα SMD μπορεί να ζυγίζουν μόλις το ένα δέκατο των αντίστοιχων εξαρτημάτων της THT. Αυτό προκαλεί μια σημαντική μείωση του βάρους της συναρμολόγησης με επιφανειακή τοποθέτηση (Surface Mount Assembly, SMA). Λόγω του μικρού τους μεγέθους τα εξαρτήματα επιφανειακής στήριξης καταλαμβάνουν περίπου από το ήμισυ έως το ένα τρίτο του χώρου στην πλακέτα τυπωμένου κυκλώματος.

5 Η SMT έχει μεγαλύτερη ανοχή στους κραδασμούς, ως αποτέλεσμα της μικρότερης μάζας των εξαρτημάτων. Εκτός από τα οφέλη σχεδιασμού, η SMT παρέχει επίσης πολλά οφέλη στον τομέα της κατασκευής. Αυτά τα οφέλη περιλαμβάνουν μειωμένο κόστος της πλακέτας, μειωμένο κόστος χειρισμού εξαρτημάτων, και μια ελεγχόμενη διαδικασία παραγωγής. Το μέγεθος της πλακέτας είναι μειωμένο όπως και ο αριθμός των οπών. Μία πλακέτα με λιγότερες οπές θα κοστίσει λιγότερο. Τα παραπάνω οφέλη της SMT δεν σημαίνει κατ 'ανάγκην ότι η συναρμολόγησή της θα κοστίσει λιγότερο. Εξαρτάται πότε και πώς χρησιμοποιείται η SMT. Πολλά ηλεκτρονικά εξαρτήματα δεν είναι ακόμη διαθέσιμα σε SMD για επιφανειακή συγκόλληση. Εξαιτίας αυτού, η SMT διαθέτει ορισμένα στοιχεία με διαμπερή οπή. Η τοποθέτηση εξαρτημάτων στην επιφάνεια, είτε αυτή είναι ενεργητική είτε παθητική, όταν γίνεται η σύνδεση του εξαρτήματος με το υπόστρωμα τοποθέτησης, χρησιμοποιείται ένας εκ των τριών τρόπων συναρμολόγησης που συνήθως αναφέρονται ως Τύπος Ι, Τύπος II και Τύπος III. Η διαδικασία είναι διαφορετική σε κάθε τύπο, και οι τρεις τύποι χρειάζονται διαφορετικές συσκευές. Η συναρμολόγηση τύπου III SMT περιέχει μόνο διακριτά εξαρτήματα επιφανειακής στήριξης (αντιστάσεις, πυκνωτές, τρανζίστορ και) κολλημένα στην κάτω πλευρά. Η συναρμολόγηση τύπου Ι περιέχει μόνο μόνο διακριτά εξαρτήματα επιφανειακής στήριξης. Η διάταξη μπορεί να είναι είτε μονής είτε διπλής όψης. Η διάταξη τύπου ΙΙ είναι ένας συνδυασμός των τύπων III και I. Γενικά, δεν περιέχει καμία ενεργή επιφάνεια τοποθέτησης συσκευής στην κάτω πλευρά, αλλά μπορεί να περιέχει διακριτά SMD στην κάτω πλευρά. Τα SMDs από τη φύση τους είναι πολύ διαφορετικά από τα παραδοσιακά εξαρτήματα με μόλυβδο. Σχήμα 6. Παθητικά εξαρτήματα επιφανειακής τοποθέτησης. Οι κεραμικοί πυκνωτές, πυκνωτές τανταλίου, και αντιστάσεις με παχύ φιλμ αποτελούν τη βασική ομάδα των παθητικών SMDs. Τα σχήματα είναι γενικά ορθογώνια και κυλινδρικά. Η μάζα των εξαρτημάτων είναι περίπου 10 φορές χαμηλότερη από τα αντίστοιχα εξαρτήματα της τεχνολογίας μέσω τρύπας THT. Οι αντιστάσεις και οι πυκνωτές των SMDs είναι σε διάφορα μεγέθη για την κάλυψη των αναγκών των διαφόρων εφαρμογών στη βιομηχανία ηλεκτρονικών ειδών. Ενώ υπάρχει μια τάση για συρρίκνωση των μεγεθών, τα μεγαλύτερα μεγέθη είναι επίσης διαθέσιμα εάν οι απαιτήσεις χωρητικότητας είναι μεγάλες. Αυτές οι συσκευές /

6 εξαρτήματα έρχονται σε δύο σχήματα, ορθογώνια και σωληνοειδή ( Metal Electrode Leadless Face, MELF: μεταλλικό ηλεκτρόδιο άνευ αγωγού) Υπάρχουν μερικά σημεία που κάνουν την SMT διαφορετική από την THΤ, τα οποία συνοψίζονται παρακάτω Η SMT έχει βοηθήσει σημαντικά στην επίλυση των προβλημάτων χώρου που συνήθως παρατηρούνται στην τεχνολογία διαμπερής οπής. Ο αριθμός των ακίδων έχει αυξηθεί σημαντικά στην SMT σε σύγκριση με παλαιότερες τεχνολογίες. Στην SMT, τα στοιχεία είναι άνευ μόλυβδου και τοποθετούνται απευθείας στην επιφάνεια της πλακέτας. Τα εξαρτήματα στην τεχνολογία ΤΗΤ είναι μεγαλύτερα, κάτι το οποίο οδηγεί σε χαμηλότερη πυκνότητα εξαρτήματος ανά μονάδα επιφάνειας. Η SMT κατέστησε δυνατές εφαρμογές που φαινόταν αδύνατες με την τεχνολογία της ΤΗΤ (πχ. Φορητότητα). Ο σχεδιασμός, η παραγωγή και η τεχνογνωσία που απαιτείται για την υλοποίηση SMT είναι πολύ προηγμένη σε σύγκριση με την τεχνολογία ΤΗΤ. Κατά τη σύγκριση των δύο, το SMT υπερτερεί της τεχνικής ΤΗΤ σε πλεονεκτήματα, τα οποία καθορίζουν με σαφήνεια και δικαιολογούν το γεγονός ότι χρησιμοποιούνται σε ποσοστό 90% σε συνδέσεις πλακετών. Η τεχνολογία ΤΗΤ αναμένεται να παραμείνει σε χρήση για δοκιμές και σε εφαρμογές πρωτοτύπων που μπορεί να χρειαστούν χειροκίνητες ρυθμίσεις και ανταλλακτικά. Στον αντίποδα, τα εξαρτήματα μέσω οπών χρησιμοποιούνται για υψηλής αξιοπιστίας συσκευές που απαιτούν ισχυρότερη σύνδεση μεταξύ των στρωμάτων. Λαμβάνοντας υπόψη ότι τα εξαρτήματα της SMT στερεώνονται απλώς με κολλήσεις στην επιφάνεια της πλακέτας, η τεχνολογία μέσω οπών που υπάρχει στην πλακέτα, δίνει τη δυνατότητα στα εξαρτήματα να αντέχουν περισσότερο σε περιβαλλοντικούς παράγοντες. Αυτός είναι ο λόγος που η εν λόγω τεχνολογία χρησιμοποιείται συνήθως σε στρατιωτικές και αεροδιαστημικές εφαρμογές οι οποίες μπορούν να εμφανίσουν ακραίες επιταχύνσεις, συγκρούσεις, ή υψηλές θερμοκρασίες. Η THΤ είναι επίσης χρήσιμη για δοκιμή σε εφαρμογές που απαιτούν ορισμένες φορές χειροκίνητες ρυθμίσεις και αντικαταστάσεις. Η πλήρης εξαφάνιση της ΤΗΤ από τη συναρμολόγηση PCB είναι μια μεγάλη παρανόηση. Ο λόγος που δεν χρησιμοποιείται η εν λόγω τεχνολογία είναι τόσο η διαθεσιμότητα όσο και το κόστος. Δεν είναι όλα τα εξαρτήματα διαθέσιμα στα πακέτα SMD και κάποια εξαρτήματα της ΤΗΤ είναι λιγότερο ακριβά. Ωστόσο, αυτό δεν αναιρεί το γεγονός ότι, σε μια σύγχρονη μονάδα συναρμολόγησης, η ΤΗΤ θεωρείται δευτερεύουσα λειτουργία. Επιπλέον, εξαλείφοντας εκτεθειμένες επαφές στο κάτω μέρος της πλακέτας προστατεύει τα εξαρτήματα από τυχαία επαφές. Ο μικροελεγκτής (μcs) - σε αυτή την περίπτωση οι ATmega328 - είναι συνήθως το πιο ακριβό εξάρτημα σε ένα σχέδιο. Μια βλάβη μικροελεγκτή είναι δύσκολο να διορθωθεί

7 και συνήθως απαιτεί είτε την αντικατάσταση του εξαρτήματος ή απλά αντικατάσταση της πλακέτας. Στην γραμμή παραγωγής-επισκευής πλακετών υπάρχουν συσκευές που περιλαμβάνουν εξοπλισμό επιθεώρησης και επισκευής. Υπάρχουν δύο κύριοι τύποι αυτοματοποιημένου εξοπλισμού ελέγχου στην αγορά: x-ray και λέιζερ. Ωστόσο, οι περισσότερες εταιρείες ηλεκτρονικών βασίζονται στην οπτική επιθεώρηση από 2Χ έως 10Χ, χρησιμοποιώντας μικροσκόπιο μεγεθυντικού λαμπτήρα [21]. Σχήμα 39. Μηχανισμός επισκευής SMT. Τα εργαλεία θερμού αέρα είναι διαθέσιμα σε ένα αρκετά υψηλό κόστος. Τα εργαλεία αυτά χρησιμοποιούνται για την επιφανειακή τοποθέτηση σε SMT επειδή είναι ιδανικό για δωρεάν επισκευή ζημιών. Τα SMD δεν είναι διαφορετικά από τα ΤΗΤ όσον αφορά την ηλεκτρική λειτουργία. Τα SMD είναι μικρότερα, ωστόσο παρέχουν καλύτερη ηλεκτρική απόδοση. Ενώ μόνο μερικά είδη από τα συμβατικά πακέτα DIP πληρούν όλες τις απαιτήσεις συσκευασίας, τα SMD είναι πολύ πιο περίπλοκα. Σχήμα 40. Εξαρτήματα SMD. Οι τύποι συσκευασίας που υπάρχουν είναι πολλοί. Επιπλέον, οι απαιτήσεις των εξαρτημάτων επιφανειακής στήριξης είναι αρκετά μεγάλες. Τα SMDs πρέπει να αντέχουν τις υψηλότερες θερμοκρασίες συγκόλλησης και πρέπει να είναι συγκολλημένα πιο προσεκτικά για να επιτευχθεί η αποδεκτή απόδοση παραγωγής. Η ζήτηση για όλο και μικρότερο βάρος και μικρότερες αυξήσεις στο μέγεθος του εξαρτήματος γίνεται όλο και πιο επιτακτική. Οι SMD συσκευές βρίσκονται κυρίως σε

8 PCBs πολλαπλών στρώσεων όπου το μέγεθος της συσκευής είναι σημαντικό πρόβλημα. Εξαρτάται από τις απαιτήσεις της κάθε εφαρμογής ποια από τις δύο τεχνολογίες είναι κατάλληλη. Όπως και για τους αρχάριους είναι πιο εύκολο να κολλήσεις τα εξαρτήματα στην THT από ότι στα SMD. Εργαλεία SMD Στην αγορά σήμερα κυκλοφορούν αρκετές ακριβές συσκευές και εξιδεικευμένα εργαλεία που αφορούν τα υλικά SMD. Στην αγορά διατίθενται λαβίδες με ειδικό σχήμα για την συγκράτηση εξαρτημάτων σε συσκευασία Mini-MELF, αλλά η αγορά τους δεν συνιστάται παρά μόνον εάν κάποιος δουλεύει συστηματικά με τέτοια εξαρτήματα. Σχήμα 41. Περίγραμμα μιας διόδου Mini- Melf. Μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί ένα εργαλείο σε στυλ στυλό, το οποίο εξυπηρετεί στην συγκράτηση των εξαρτημάτων με δημιουργία υποπίεσης, με την διαφορά όμως ότι το εν λόγω εργαλείο μπορεί να αξιοποιηθεί μόνο εφόσον το εξάρτημα διαθέτει ομαλή επιφάνεια για να «βεντουζάρει» στο στόμιο. Τα στυλό αυτά είναι αρκετά δαπανηρά και είναι αλήθεια ότι δεν συνιστάται για αρχάριους. Συνήθως αποφεύγεται η αγορά κάποιου μεγεθυντικού φακού από αυτούς που περιλαμβάνουν φωτισμό και στερεώνονται στον πάγκο δεδομένου ότι είναι αρκετά δύσχρηστοι. Προτιμάται ένα ζευγάρι μεγεθυντικών γυαλιών που στερεώνονται στο κεφάλι και μπορούν εύκολα αν χρειαστεί να γυρίσουν προς τα κάτω. Όσον αφορά τον πάγκο του εργαστηρίου θα χρειασθεί να προβλεφθεί ένας καλός φωτισμός τόσο φόντου όσο και κατευθυνόμενος (κατά προτίμηση αλογόνου), μαζί με τον κατάλληλο αντι-στατικό εξοπλισμό (ύφασμα και πε ρικάρπιο) για την αποφυγή καταστροφής ευαίσθητων εξαρτημάτων. Το καλάι (με αλοιφή) που χρησιμοποιείται για την κόλληση των εξαρτημάτων SMD έχει πολύ μικρή επιφάνεια διατομής και περιλαμβάνει 2% αργυρό. Τα χαρακτηριστικά αυτά κατεβάζουν κατά μερικούς βαθμούς το σημείο τήξης και συντελούν στη δημιουργία κολλήσεων καλύτερης ποιότητας. Για τον καθαρισμό των επαφών στο σημείο συγκόλλησης του εξαρτήματος SMD με την πλακέτα συνήθως χρησιμοποιείται ειδικό καθαριστικό υγρό με την επωνυμία FLUX, το οποίο πέραν του καθαρισμού της επαφής και τη διευκόλυνση της

9 συγκόλλησης του εξαρτήματος, το υπόλειμμά του μπορεί να καθαριστεί εύκολα με νερό και δεν είναι αγώγιμο. Επίσης διατίθεται και αλοιφή για τις κολλήσεις σε σύριγγες των 5ml, η χρήση της οποίας είναι σχετικά εύκολη αλλά απαιτεί σταθερό χέρι, ενώ τυχόν υπολείμματα θα πρέπει να αφαιρεθούν μετά την ολοκλήρωση της διαδικασίας. Η συγκεκριμένη αλοιφή προορίζεται βασικά για χρήση με κολλητήρι θερμού αέρα, το οποίο βέβαια είναι σχετικά ακριβό και δεν θεωρείται απαραίτητο για αρχάριο. Υπάρχει βέβαια η δυνατότητα χρήσης της αλοιφής και με το συμβατικό κολλητήρι αλλά η κόλληση με το τυπικό καλάι για SMD είναι μάλλον οικονομικότερη. Στην περίπτωση συγκόλλησης ολοκληρωμένων με μεγάλο αριθμό επαφών σε μικρή μεταξύ τους απόσταση, συνηθίζεται να χρησιμοποιείται ειδική αλοιφή για SMD. Πριν την τοποθέτηση του ολοκληρωμένου πάνω στην πλακέτα τοποθετείτε λίγη αλοιφή στα ίχνη για κόλληση οπότε κατά τη διάρκεια της κόλλησης η αλοιφή καίγεται χωρίς να αφήνει πολλά υπολείμματα. Αυτό βέβαια ισχύει εφόσον δεν έχει γίνει υπερβολική εναπόθεση αλοιφής, με αποτέλεσμα ο εκ των υστέρων καθαρισμός τυχόν υπολειμμάτων να μην κρίνεται απαραίτητος. Για τον καθαρισμό των κολλήσεων, την απομάκρυνση της παραπάνω κόλλησης και την αφαίρεση τυχόν γεφυρών που έχουν δημιουργηθεί από κόλληση, χρησιμοποιείται φυτίλι ή κορδέλα αποκόλλησης. Οι πλέον βολικές διαστάσεις επαφών για εργασία με SMD είναι τόσο μικρές που κινδυνεύουν να εξαφανιστούν μέσα στην οπή αναρρόφησης μαζί με το λιωμένο καλάι. Σε πολλά εξαρτήματα, οι τιμές δεν αναφέρονται πάνω στο σώμα του SMD, οπότε εάν κάποιος ψάχνει μια συγκεκριμένη τιμή μέσα σε ένα σωρό από πυκνωτές θα ξοδέψει λιγότερο χρόνο εάν υπάρχει οργανωμένο σύστημα αποθήκευσης. Σχήμα 42. Βασικό σετ εργαλείων για SMD (αντιστατικό περικάρπιο, λαβίδες, αλοιφή, κόλληση και φυτίλι αποκόλλησης)

10 Τεχνικές κόλλησης και αποκόλλησης των SMD Ένα τυπικό κολλητήρι που αλλάζει θερμοκρασία και μύτη, με λίγη παραπάνω αλοιφή για κολλήσεις, είναι τα μόνα εργαλεία που απαιτούνται για περισσότερες εργασίες με SMD. Ένα παράδειγμα τυπικού κολλητηριού είναι το Analogue 60 A της ERSA. Το συγκεκριμένο κολλητήρι έχει ονομαστική ισχύ 60 Watt και μύτες που αλλάζουν. Κολλητήρια με παρόμοιες προδιαγραφές, παράγουν τόσο η Weller όσο και η Antex. Όσον αφορά τώρα το κολλητήρι της Ersa, θα χρειαστεί να τοποθετηθεί μια λεπτή μύτη τύπου 832 UD (η συγκεκριμένη μύτη έχει διάμετρο 0.4 mm). Ένα μειονέκτημα που παρουσιάζει η απλή κωνική μύτη είναι ότι δεν παρέχει ακριβώς ομαλή κατανομή της θερμότητας όταν εφαρμόζεται στο σημείο κόλλησης, αλλά ακόμη και έτσι με λίγη προσοχή είναι δυνατόν και αυτή να δώσει κολλήσεις καλής ποιότητας. Η θερμοκρασία του κολλητηριού θα πρέπει να οριστεί κάπου μεταξύ 350 και C. Η τιμή αυτή ενδέχεται να ακούγεται υψηλή, αλλά μια μύτη με υψηλή θερμοκρασία επιταχύνει τη διαδικασία της κόλλησης και στην πράξη μειώνεται ο κίνδυνος να υπερθερμανθεί τόσο το εξάρτημα όσο και η επαφή της πλακέτας. Οι αντιστάσεις, οι κεραμικοί πυκνωτές και οι πυκνωτές τανταλίου διατίθενται σε παρόμοιες συσκευασίες και η διαδικασία που απαιτείται για την κόλλησή τους είναι περίπου η ίδια. Παρακάτω αναλύεται η τεχνική κολλήσεων των SMD: Βήμα 1 (Δύο ακροδέκτες): Αρχικά τοποθετείται το εξάρτημα επάνω στα αντίστοιχα της ίχνη της πλακέτας και ευθυγραμμίζεται με την βοήθεια λαβίδων. Στη συνέχεια λειώνεται μια σταγόνα κόλλησης επάνω στο κολλητήρι και με την σταγόνα αυτή κολλάει το ένα άκρο του εξαρτήματος στην πλακέτα. Δεν υπάρχει λόγος ανησυχίας σε περίπτωση που η κόλληση δεν είναι τέλεια καθώς στην συγκεκριμένη χρονική στιγμή ο στόχος είναι να στερεωθεί το εξάρτημα στην σωστή θέση. Σχήμα 43. Τοποθέτηση εξαρτήματος στη σωστή θέση. Βήμα 2 (Δύο ακροδέκτες): Στη συνέχεια στην απέναντι πλευρά του εξαρτήματος τοποθετείται η μύτη του κολλητηριού σε επαφή τόσο με το εξάρτημα όσο και με το αντίστοιχο ίχνος της πλακέτας (το κολλητήρι θα πρέπει να είναι κάθετα στην κορυφή του εξαρτήματος). Με προσεκτικές κινήσεις έρχεται σε επαφή το καλάι με το κολλητήρι έτσι ώστε η κόλληση να τρέξει όμορφα πάνω στην επαφή. Η κόλληση πρέπει να ριχτεί με μέτρο, γιατί διαφορετικά στο σημείο της επαφής θα δημιουργηθεί ένας μικρός σβόλος από καλάι. Η ιδανική ποσότητα κόλλησης είναι αυτή που θα δώσει

11 στην επιφάνεια της κόλλησης μία ελαφρά στρογγυλεμένη μορφή, κάτι σαν το στρογγυλό άκρο μιας τρομπέτας. Σχήμα 44. Τοποθέτηση μύτης κολλητηριού με εξάρτημα και αντίστοιχο ίχνος πλακέτας. Βήμα 3 (Δύο ακροδέκτες): Στην πρώτη πλευρά υπάρχει πλέον η δυνατότητα να ξαναζεσταθεί και να προστεθεί λίγο ακόμη καλάι γύρω από το άκρο του εξαρτήματος και το ίχνος. Τραβιέται μακριά το κολλητήρι όσο νωρίτερα γίνεται για να μην υπερθερμανθεί το εξάρτημα και με προσοχή για να μην προστεθεί υπερβολική ποσότητα κόλλησης. Σχήμα 45. Προσθήκη καλάι γύρω από το άκρο του εξαρτήματος και το ίχνος. Βήμα 4 (Τρεις ακροδέκτες): Όπως και πριν, τοποθετείται το εξάρτημα στην θέση του και κολλάται προσωρινά τον ένα από τους ακροδέκτες του με μια σταγόνα κόλλησης.

12 Σχήμα 46. Προσωρινή κόλληση του ενός ακροδέκτη του εξαρτήματος. Βήμα 5 (Τρεις Ακροδέκτες): Στην συνέχεια το κολλητήρι πηγαίνει στις 90 0 σε σχέση με το άξονα του κάθε ακροδέκτη (που απομένει) πιέζοντας τον ελαφρά προς τα κάτω και το καλάι έρχεται σε επαφή με αυτόν, έτσι ώστε το καλάι να λειώσει επάνω του και να τρέξει στο αντίστοιχο ίχνος της πλακέτας. Με τον τρόπο αυτό δημιουργείται μια ακόμη πιο στρωτή κόλληση. Αφού ολοκληρωθεί αυτή η διαδικασία ξαναζεσταίνεται ο πρώτος ακροδέκτης προσθέτοντας λίγη παραπάνω κόλληση όπως και παραπάνω. Σχήμα 47. Ο πρώτος ακροδέκτης ξαναζεσταίνεται με παραπάνω κόλληση. Βήμα 6 (Ολοκληρωμένο): Το κολλητήρι έρχεται σε επαφή με δύο ακροδέκτες του εξαρτήματος (επιλέγοντας κατά προτίμηση δύο διαγώνιους ακροδέκτες). Στην συγκεκριμένη περίπτωση διευκολύνει η μύτη του κολλητηριού να βρίσκεται παράλληλα με τον άξονα του ακροδέκτη του εξαρτήματος, παρά κάθετα σε αυτόν.

13 Σχήμα 48. Κόλληση δύο ακροδεκτών του εξαρτήματος. Βήμα 7 (Ολοκληρωμένο): Στο συγκεκριμένο βήμα, είναι η τελευταία δυνατότητα ελέγχου της ακριβής τοποθέτησης του εξαρτήματος επάνω στα ίχνη. Ένας προς ένας κολλάνε οι ακροδέκτες του εξαρτήματος, διατηρώντας τη μύτη του κολλητηριού και τον ακροδέκτη σε ευθεία και ζεσταίνοντας με γοργές κινήσεις τον ακροδέκτη μαζί με τις το αντίστοιχο ίχνος τη στιγμή που τροφοδοτείται στο σημείο της επαφής με κόλληση. Σχήμα 49. Κόλληση των ακροδεκτών του εξαρτήματος. Βήμα 8: Στο συγκεκριμένο βήμα πρέπει να υπάρχει ιδιαίτερη προσοχή, καθώς υπερβολική ποσότητα κόλλησης θα προκαλέσει κηλίδες οι οποίες ενδέχεται να δημιουργήσουν γέφυρες με τα γειτονικά ίχνη. Σε περίπτωση που συμβεί αυτό, οι

14 γέφυρες είναι δυνατόν να αφαιρεθούν με τη βοήθεια του ειδικού φυτιλιού αποκόλλησης. Το φυτίλι τοποθετείται πάνω από την κηλίδα και εφαρμόζεται μία ελαφρά πίεση με το κολλητήρι, μέχρι η κηλίδα να απορροφηθεί από το φυτίλι. Τα ολοκληρωμένα εξαρτήματα είναι δυνατόν να θερμανθούν μέχρι τους C. Το κολλητήρι τοποθετείται από την πλευρά του εξαρτήματος και τραβιέται προσεκτικά με λαβίδες, μέχρι αυτό να ξεκολλήσει. Αφού ξεκολλήσει το SMD, είναι πλέον άχρηστο και πρέπει να αποσυρθεί. Σχήμα 50. Αφαίρεση γεφυρών με φυτίλι αποκόλλησης. Βήμα 9: Στο συγκεκριμένο παράδειγμα χρησιμοποιείται σταθμός κόλλησης της ERSA τύπου SMT 60 Α, για να ερευνηθούν τα πλεονεκτήματα του συγκεκριμένου σταθμού κόλλησης για SMD. Ο εν λόγω σταθμός περιλαμβάνει ένα κολλητήρι με αποσπώμενες μύτες και ένα ζευγάρι θερμαινόμενες λαβίδες αποκόλλησης. Άλλοι γνωστοί κατασκευαστές κολλητηριών είναι η Antex και η Weller, οι οποίοι επίσης παράγουν παρόμοιους σταθμούς για κολλήσεις. Οι τεχνικές που ακολουθούνται για την κόλληση και αποκόλληση των εξαρτημάτων διαφέρουν λίγο από αυτές που εφαρμόζονται με το τυπικό κολλητήρι που χρησιμοποιήθηκε μέχρι εδώ. Σχήμα 51. Σταθμός κόλλησης της ERSA τύπου SMT 60 A.

15 Βήμα 10: Η εργασία με την μύτη- κούπα προϋποθέτει την τοποθέτηση λίγης αλοιφής επάνω στο σημείο της κόλλησης. Το σχήμα της μύτης βοηθάει την συγκράτηση της κόλλησης μέσα σε αυτό μέχρι η άκρη να έλθει σε επαφή με τον ακροδέκτη, οπότε η αλοιφή θα τραβήξει την κόλληση από την κούπα. Η επιλογή της σωστής ποσότητας που θα τοποθετηθεί μέσα στην μικρή κούπα είναι σχετικά δύσκολη, μιας και η υπερβολική κόλληση θα έχει σαν αποτέλεσμα την δημιουργία γεφυρών αλλά όταν αποκτηθεί εμπειρία η συγκεκριμένη τεχνική είναι αρκετά αποτελεσματική. Σχήμα 52. Εργαλείο μύτης-κούπας για συγκράτηση κόλλησης. Βήμα 11: Η απομάκρυνση των ολοκληρωμένων με τις ειδικές λαβίδες αποκόλλησης είναι μια διαδικασία πολύ πιο γρήγορη αλλά και εύκολη σε σύγκριση με το τυπικό κολλητήρι. Για κάθε διαφορετικό τύπο συσκευασίας εξαρτημάτων υπάρχει και το αντίστοιχο σετ από λαβίδες που εξυπηρετεί στην αποκόλληση και αφαίρεση των ολοκληρωμένων. Σχήμα 53. Ειδικές λαβίδες αποκόλλησης για απομάκρυνση ολοκληρωμένων. Βήμα 12: Οι προθερμαινόμενες λαβίδες τοποθετούνται επάνω στους ακροδέκτες του εξαρτήματος μέχρι να λειώσει η κόλληση.

16 Σχήμα 54. Προθερμαινόμενες λαβίδες επάνω στους ακροδέκτες. Με απαλό τράβηγμα των λαβίδων, το ολοκληρωμένο απομακρύνεται από την πλακέτα και το μόνο που απομένει είναι ο καθαρισμός των ιχνών με τη βοήθεια του φυτιλιού. Σχήμα 55. Απομάκρυνση ολοκληρωμένου από την πλακέτα[22]. Βιβλιογραφία [1] Wikipedia, Surface-mount technology, Available in: last visit 7/2/2017 [2] Electronic Components, What is SMT Surface Mount Technology, Available in: last visit: 7/2/2017 [3]Wikipedia, Ball grid array, Available in: last visit: 7/2/2017 [3] Mobile Phone Repairing, Surface Mount Device (SMD), Available in: last visit 7/2/2017 [4] Electronics and you, SMD Surface Mount Electronic Components for SMT, Available in: last visit:7/2/2017 [5] Resistor Guide, Resistor Sizes and Packages, Available in: last visit:7/2/2017

17 [6] Resistor guide, Resistor SMD code, Available in: last visit: 7/2/2017 [7] Mobile Phone Repairing, SMD Resistor Surface Mount Chip Resistor Guide, Available in: last visit: 7/2/2017 [8] Electronic Components, SMT / SMD Component Packages, Available in: last visit: 7/2/2017 [9] Mobile Phone Repairing, SMD Capacitor Surface Mount Chip Capacitor Guide, Available in: last visit: 7/2/2017 [10] Mouser Electronics, Surface Mount LEDs, Available in: last visit: 7/2/2017 [11] Muna E. Raypah (2016), Investigation on thermal characterization of low power SMD LED mounted on different substrate packages, σελ [12] Our PCB, Introduction to Integrated Circuits SMD Packages(Surface Mount Devices), Available in: last visit: 7/2/2017 [13] Radio- Electronics, PLCC, Plastic Leaded Chip Carrier, Available in: last visit: 7/2/2017 [14] NGK, Ceramic Leadless Chip Carriers (CLCC), Available in: last visit: 7/2/2017 [15] Patricia Gomez (2015), Influence of the material composition on the environmental impact of surface-mount device (SMD) transistors, σελ [16] DEFINITION OF MOBILE PHONE PBA, INFOHUNDRED, Available in: last visit: 7/2/2017 [17] tti, Phoenix Contact - SMD-Connectors for LED applications, Available in: last visit: 7/2/2017 [18] Sparkfun, Connector Basics, Available in: last visit: 7/2/2017 [19] TDK, Space-saving, made-for-manufacture design, Available in: last visit: 7/2/2017 [20] THAOYU ELECTRONCS, Mini NRF24L GHz SMD Wireless Transceiver Module, Available in: html, last visit:7/2/2017 [21]Sparkfun, RedBoard vs. Uno, Available in: last visit: 16/2/2017 [22] Elektor MAGAZINE, SMD DON T PANIC, Available in: C. Tomanik (2013), SMD DON T PANIC, last visit 16/02/2017