Lutowanie elementów SMD
Elementy SMD (Surface Mount Device) - to miniaturowe tranzystory, oporniki, kondensatory i układy scalone przystosowane do montażu powierzchniowego.
Konieczność miniaturyzacji elektroniki zmusiła ich producentów do opracowania specjalnych miniaturowych elementów. Montaż płytek odbywa się automatycznie. Elementy są precyzyjnie układane i przyklejane do laminatu na którym są już przygotowane ścieżki i miejsca połączeń. Jako spoiwa używa się pasty lutowniczej składającej się z miniaturowych kuleczek cyny. Łączenie wyprowadzeń odbywa się przez podgrzanie miejsca połączeń gorącym powietrzem.
Ręczna wymiana elementów SMD to nie lada problem, wymaga specjalnego sprzętu i doświadczenia. Oporniki lub kondensatory mogą być mniejsze od główki szpilki. Układy scalone w obudowie BGA (Ball Grid Array) mają często wyprowadzenia cieńsze niż grubość włosa. Zagęszczenie na powierzchni 1 centymetra może przekraczać kilkaset nóżek. Nieumiejętna wymiana takich elementów zwykle prowadzi do ich uszkodzenia lub zniszczenia laminatu.
Ochrona przed ładunkiem elektrostatycznym
Układy scalone i inne półprzewodniki mogą być wrażliwe na wyładowania elektrostatyczne. To czego nie widać gołym okiem, czyli przeskok ładunku, może trwale zniszczyć układ lub spowodować jego uszkodzenie w krótkim czasie.
Ładunki elektrostatyczne gromadzą się na ubraniu, narzędziach, a nawet w rękach. Aby bezpiecznie pracować z elementami SMD trzeba pamiętać o ochronie ESD. Podstawą jest korzystanie z bransoletki uziemiającej. Dodatkowo na stole w miejscu pracy powinna być mata antyelektrostatyczna. W pomieszczeniu w którym się pracuje nie powinno być sztucznych dywanów, a optymalne zabezpieczenie to fartuch antyelektrostatyczny.
Jeśli nie posiadamy tych wszystkich zabezpieczeń to aby zminimalizować ryzyko wystąpienia ładunków elektrostatycznych, przed dotknięciem płytki z SMD, dotykamy najpierw obudowy, aby rozładować ewentualne ładunki. W trakcie prac staramy się nie dotykać wyprowadzeń układów, tylko chwytać je za brzegi.
Stacja lutownicza na gorące powietrze.
Montaż i demontaż elementów SMD wykonuje się przez podgrzanie wszystkich wyprowadzeń gorącym powietrzem. Nie można tu stosować innych lutownic, gdyż zbyt długie lub nierównomierne grzanie powoduje uszkodzenie elementu lub płytki.
Stacja lutownicza powinna mieć możliwość regulacji temperatury w zakresie do 100 do 420 st. C oraz regulacji siły nadmuchu.
Dobra stacja powinna mieć komplet grotów dostosowanych do montowanych elementów. Groty mogą mieć dysze punktowe lub ułożone na kształt układu. Tylko dobrze dopasowany grot zapewnia bezpieczny montaż układów BGA.
Pęsety i chwytaki
Przy lutowaniu układów BGA ważną rolę odgrywa czas. Jeśli niepotrzebnie się go wydłuża to element uszkodzi się na skutek przegrzania.
Aby sprawnie wykonać wymianę układu trzeba sobie przygotować odpowiednie chwytaki, pęsety antyelektrostatyczne z odpowiednie dopasowanymi końcówkami. Do usuwania resztek spoiwa przydaje się skrobak dentystyczny. Warto mieć zawsze pod ręką pędzle do oczyszczenie płytki.
Spoiwa, topniki i preparaty chemiczne.
Przed zamontowaniem układu, powierzchnię płytki trzeba przemyć Izopropanolem, jest to płyn na bazie alkoholu izopropylowego, skutecznie usuwa resztki topnika i lutowia.
Aby się lepiej lutowało powierzchnię można przemyć Kontaktem WL, który usuwa resztki i odtłuszcza płytkę. Dodatkowo Kontakt LR aby usunąć resztki topnika.
Topnik to preparat ułatwiający lutowanie, można go wykonać samemu rozpuszczając proszek z kalafonii w spirytusie.
Podstawowym spoiwem jest pasta lutownicza. Jej struktura to miniaturowe kuleczki. Pastę należy nakładać w niewielkiej ilości aby nadmiar nie powodował zwarć miedzy wyprowadzeniami. Pasta lutownicza ma krótki termin przydatności do użycia i musi być przechowywana w niskiej temperaturze. Jakość pasty w dużej mierze decyduje o sukcesie lutowania.
W przypadku montaży pojedynczych tranzystorów, kondensatorów lub rezystorów, można użyć cyny lutowniczej o średnicy 0,23mm i tradycyjnej lutownicy kolbowej.
Materiały do demontażu SMD
W większości przypadków można się obejść bez odsysaczy i innych materiałów pomagających usunąć nadmiar cyny. Przy demontażu niektórych elementów przydaje się taśma miedziana Wick, jej działanie opiera się na zjawisku włoskowatości. Miedziana plecionka z cienkich drucików pochłania nadmiar cyny jak odsysacz, przy czym nie ma ryzyka uszkodzenia sąsiednich elementów.
W sklepach dla elektroników można nabyć specjalne spoiwa do demontażu, jak Chip Quick, którego temperatura topienie jest na poziomie 85 st.C. Wylutowywanie polega na podgrzaniu i zmieszaniu spoiwa z cyną, co wprowadza ją w stan płynny przy bardzo niskiej temperaturze, a następnie odessaniu tej mieszanki.
Na podobnej zasadzie działa spoiwo Zimna cyna. W obu przypadkach można wlutować układ bez obawy przegrzania płytki.
Demontaż układów BGA
Przed demontażem zalecane jest wstępne nagrzanie płytki gorącym powietrzem do temperatury 125st.C.
Zasadnicze nagrzewanie wykonuje się w temperaturze około 210 - 220 st.C przez czas nie dłuższy niż 75 sekund. Grot powinien znajdować się 2,5mm nad powierzchnią układu.
Gdy spoiwo uzyska płynność delikatnie, bez użycia siły podnosimy układ chwytakiem. Nadmiar cyny z płytki zbieramy przy użycia taśmy Wick.
Montaż układów BGA
Powierzchnię płytki przemywamy Izopropanolem. W miejscu na płytce gdzie są wyprowadzenia nanosimy niewielką ilość pasty lutowniczej. Można do tego użyć strzykawki z igłą ale lepiej skorzystać z sita dostosowanego do wyprowadzeń układu. Pastę rozprowadzamy szpachelką po otworach sita i je delikatnie ściągamy. W przypadku ograniczonego miejsca na płytce można pastę nakładać bezpośrednio na wyprowadzenia układu.
Na tak przygotowaną płytkę ze spoiwem precyzyjnie stawiamy układ scalony.
Wstępnie nagrzewamy płytkę do temperatury 75 st.C. Zasadnicze lutowanie rozpływowe następuje w temperaturze 195 - 200 st.C
Po przylutowaniu układu oczyszczamy płytkę i usuwamy resztki lutowia.
Końcowym etapem lutowania jest dokładna kontrola połączeń pod mikroskopem lub lupą. Trzeba to zrobić dokładnie, bo jedno pozostawione zwarcie miedzy nóżkami, może uszkodzić układ.