smt assembly что это
Технология SMT монтажа печатных плат
Пост опубликован: 21 ноября, 2020
Сборка печатных плат — сложный процесс, требующий использования современных точных технологий для получения продукта высочайшего качества. Плата, предназначенная для сборки электронных компонентов, должна производиться на заводах с особой точностью. При производстве электронных схем существует несколько методов сборки компонентов. Один из них — поверхностный монтаж SMT.
Контрактная сборка — что это такое и в какой отрасли будет работать
Сборка печатных плат https://a-contract.ru/produkcija/montazh-pechatnykh-plat/ требует использования специальных точных технологий и инструментов. По этой причине производство печатных плат крупными заводами и компаниями из различных отраслей (например, автомобильной, строительной или медицинской), использующих печатные платы, часто бывает убыточным.
Открытие собственной линии обходится очень дорого. По этой причине крупные компании решают нанять внешнего подрядчика, специализирующегося в этой отрасли.
Способы сборки компонентов на печатной плате
Cуществуют три основных метода:
Что такое поверхностный монтаж SMT
Подробно рассмотрим, что такое поверхностный монтаж SMT, который, за исключением особых случаев, является полностью автоматическим.
Что означает аббревиатура SMT?
Это аббревиатура с английского языка Surface Mount Technology — технология поверхностного монтажа.
Что означает монтаж SMT?
Это способ размещения электронных компонентов на печатной плате. Компоненты непосредственно приклеиваются к плате, и при необходимости могут быть встроены с обеих сторон. Электронные элементы имеют соответствующую аббревиатуру, например, SMD (устройства для поверхностного монтажа). Составляющие, предназначенные для поверхностного монтажа, отличаются небольшими размерами, имеют плоские корпуса и фланцы, охватывающие концы корпуса.
Чем еще отличается поверхностный монтаж?
Этот тип сборки требует высокой точности при размещении электронных компонентов на контактных площадках, поэтому он является автоматическим и осуществляется на соответствующих производственных линиях. Машины, предназначенные для SMT — это устройства, которые отличаются высокой точностью и, прежде всего, скоростью. Это означает большие возможности для серийного производства, и обеспечение полной повторяемости производственного процесса.
Поверхностный монтаж печатных плат — этапы
В процессе поверхностного монтажа (SMT) печатная плата проходит четыре стадии:
Стоит отметить, что современные производственные линии SMT оснащены устройством для захвата и размещения, которое размещает элементы с большой точностью и скоростью до 40000. шт в час.
В чем же преимущества монтажа SMT?
Какие услуги предоставляет подрядная монтажная компания?
Использование услуг компании, специализирующейся на контрактной сборке, может принести ряд преимуществ многим предпринимателям из различных отраслей, таких как косметика, медицина, строительство, бытовая техника и электроника или автомобилестроение. Сторонние услуги сборки по контракту способствуют повышению качества продукции за счет:
С другой стороны, предприниматели, пользующиеся услугами контрактной сборки, могут увеличить прибыль не только за счет вывода на рынок передовых технологических решений, но и за счет отсутствия необходимости поддерживать собственную производственную линию в условиях быстро меняющихся технологий.
Что такое SMT и как оно работает в приложениях — плюсы и минусы
Пока я радую свои графоманские пристрастия написанием детальной технической статьи про «Windows Performance Station», захотелось поделиться своими мыслями о том, что хорошего и плохого приносит SMT в процессоры «AMD» и «Intel», и как тут поможет «Windows Performance Station».
Тем, кому интересна данная тема, добро пожаловать под кат…
Итак, для начала давайте определимся, что такое SMT.
Как говорит нам википедия, SMT (от англ. simultaneous multithreading) это одновременная многопоточность, т.е. несколько потоков выполняются одновременно, а не последовательно, как это происходит во «временно́й многопоточности».
Многие знают эту технологию под названием «Intel Hyper-Threading», про неё уже всё давно написано, но до сих пор я сталкиваюсь с тем что многие разработчики, и, тем более, обыватели не понимают в чём основная суть «одновременного» выполнения нескольких команд одним ядром процессора и какие проблемы это несёт.
Для начала поговорим про временну́ю многопоточность. До реализации технологии SMT в виде «Hyper-Threading» использовалась технология «временно́й многопоточности».
Тут всё просто, представим, что у нас есть один конвейер и один рабочий (Ядро ЦП), который выполняет операции над числами и записывает результат. Предположим, для этих операций ему нужна отвёртка и гаечный ключ. Операционная система (ОС) складывает нашему рабочему на конвейер по порядку одну операцию для отвёртки, а за ней одну операцию для гаечного ключа. Один рабочий в один момент времени может оперировать или только гаечным ключом или только отвёрткой. Таким образом, выкладывая разное количество разных блоков, ОС определяет приоритет выполнения тех или иных операций от разных приложений. Пропорцию одних блоков к другим мы можем указывать внутри ОС, когда указываем приоритет процесса. Именно это и делают все диспетчеры задач в т.ч. и «Windows Performance Station». Это приоритизирование распространяется далее на механизмы SMT и всю работу с конвейерами.
С появлением SMT ситуация становится чуть сложнее.
Представим конвейер и двух рабочих, у которых есть одна отвёртка и один гаечный ключ на двоих. При этом, каждый из них может оперировать либо только отвёрткой, либо только гаечным ключом. Один конвейер условно делится на две половинки вдоль. SMT позволяет сложить на такой конвейер сразу два числа, одно для работы с отвёрткой, а второе для работы с гаечным ключом, поэтому действия этих рабочих выглядят так:
— Первый рабочий получает операцию для отвёртки, а второй, стоящий напротив, в тот же момент времени, операцию для гаечного ключа, после чего оба записывают результат.
Исходя из этого, когда на конвейере находится операция (A и B) с одной стороны и (D и E) с другой стороны — всё отлично, но при распараллеливании цепочки вычислений могут получиться две проблемы:
1. С одной стороны конвейера оказалось действие (A и B) = С, а с другой (D и E) = C,
т.е. нужно записать сначала одно значение C, а потом второе значение C, но не одновременно (конфликт по управлению).
2. С одной стороны конвейера оказалось действие (A и B) = C, а с другой (A и C) = D,
т.е. нужно сначала посчитать C, а потом посчитать D, но не одновременно (конфликт по данным).
Оба конфликта вызывают задержку выполнения инструкций и решаются последовательным выполнением команд. Чтобы уменьшить такие задержки были введены элементы процессора под названием предсказатель переходов и кэш процессора.
Предсказатель переходов, как понятно из названия, осуществляет предсказание 🙂 Предсказывает он вероятность возникновения первой проблемы, когда разные преобразования должны произойти над одним числом.
В свою очередь, кэш процессора, необходим для быстрого решения второй проблемы, когда мы останавливаем решение выражения (A и C) = D и пишем в кэш результат выполнения (A и B) = C, после чего сразу вычисляем (A и C) = D.
Справедливости ради, стоит уточнить, что проблема распараллеливания конвейера появляется и у многоядерных процессоров без SMT, но у многоядерников не возникает момента простаивания процессора, когда на двоих рабочих одна отвёртка, т.к. в такой терминологии у каждого рабочего есть своя отвёртка и свой гаечный ключ.
Все эти пляски вокруг угадывания процессором того, как распараллелить текущие операции, приводят к серьёзным потерям энергии и к ощутимым фризам, когда происходит голодание разнотипных задач на ядрах с SMT.
Вообще, стоит держать в уме, что «Intel» разработала «Hyper-Threading» одновременно с созданием своих первых многоядерных процессоров «Xeon» и, по сути, эту технологию можно считать эдаким компромиссом когда ставится двойной конвейер на одно ядро.
С подачи маркетологов принято нахваливать то, как хорошо одно ядро может выполнять несколько задач одновременно и как повышается производительность «в некоторых сценариях использования», однако про проблемы, присущие концепции SMT принято умалчивать.
Примечательно, что на сайте «Intel» в рекламном ролике показывается скорее двухядерность, нежели «Hyper-Threading», тот кто дочитал до этого момента, наверняка уже догадался почему 🙂
Изображение из видео:
Более точное изображение:
Какой вывод можно здесь сделать и что улучшить?
Особенность отображения загрузки логических ядер в ОС Windows вводит путаницу об информации реальной загруженности ядер с SMT. Если Вы видите, что два соседних ядера заняты
50% это может означать две вещи:
1) оба ядра выполняют два параллельных расчёта и загружены на 50% (тут всё ок).
2) оба ядра выполняют один рассчёт попеременно (как если бы два рабочих через такт передавали друг-другу гаечный ключ).
Поэтому, если Вы видите, что все ядра Вашего процессора с SMT загружены на 50% и выше нагрузка не поднимается, скорее всего это значит, что утилизация процессора составляет 100% но он занят однотипной задачей, которую не может разделить для выполнения на SMT!
Вместе с очевидными плюсами, SMT приносит фризы в чувствительные для времени выполнения задачи (воспроизведение видео/музыки или FPS в играх). Именно поэтому, многие геймеры наблюдают падение FPS при включенном SMT/Hyper-Threading.
Как я и написал ранее, приложение «Windows Performance Station» может сортировать блоки, выкладываемые на конвейер, ещё на этапе обработки задач ядром ОС. С помощью приоритетов и разделения процессов по ядрам процессора, можно выкладывать определённые блоки на конвейер в нужном количестве и класть разнотипные блоки для разных виртуальных ядер, чтобы не наступало голодание разнотипных задач. Именно для этой задачи динамического анализа в «Windows Performance Station» мы объединили нейросеть и диспетчер задач. В итоге, нейросеть анализирует задачу и раскладывает её в зависимости от полученных данных по разным правилам, благодаря чему, каждое ядро в паре SMT выполняет разные задачи.
Благодаря такому подходу, процессоры с SMT в Windows могут более эффективно работать с многозадачностью и многопоточными процессами. И именно поэтому нас весьма порадовало появление SMT в новых процессорах «AMD Ryzen».
Приложение «Windows Performance Station» бесплатное и не содержит рекламы, его можно скачать с нашего сайта по ссылке в спойлере:
Более подробно про Windows Performance Station можно прочитать в моей предыдущей статье
Большое спасибо всем, кто дочитал до конца.
SMT-монтаж и SMD-компоненты
Технология поверхностного монтажа
Технология поверхностного монтажа зародилась в 1960-х годах и спустя 20 лет стала широко применяться в производстве электроники.
Сейчас данная технология является бесспорным лидером. Трудно найти современное устройство, которое бы не было выполнено с применением этой технологии.
Для начала давайте разберёмся в терминологии.
Поверхностный монтаж сокращённо называется SMT (от англ. Surface Mount Technology – Технология монтажа на поверхность (по-русски, – ТМП)).
Так уж устоялось, что под аббревиатурой SMD порой имеют ввиду в том числе и саму технологию поверхностного монтажа, хотя на самом деле термин SMD имеет иное значение.
SMD – это Surface Mount Device, то есть компонент или устройство, монтируемое на поверхность. Таким образом, под SMD надо понимать именно компоненты и радиодетали, а не технологию в целом. Иногда SMD–элементы называют чип-компонентами, например, чип-конденсатор или чип-резистор.
Вся суть технологии SMT заключается в том, чтобы устанавливать электронные компоненты на поверхность печатной платы. По сравнению с технологией монтажа компонентов в отверстия (так называемая THT – Throuth Hole Technology), – эта технология обладает массой преимуществ. Вот лишь основные из них:
Отпадает надобность в сверлении отверстий под выводы компонентов;
Есть возможность установки компонентов с двух сторон печатной платы;
Высокая плотность монтажа, и, как следствие, экономия материалов и уменьшение габаритов готовых изделий;
SMD-компоненты дешевле обычных, имеют меньшие габариты и вес;
Возможность более глубокой автоматизации производства, по сравнению с технологией THT;
Если для производства SMT–технология очень выгодна за счёт своей автоматизации, то для мелкосерийного производства, а также для радиолюбителей, электронщиков, сервисных инженеров и радиомехаников, она создаёт массу проблем.
SMD компоненты: резисторы, конденсаторы, микросхемы имеют весьма маленькие размеры.
Давайте познакомимся с электронными SMD-компонентами. Для начинающих электронщиков это очень важно, так как поначалу порой сложно разобраться во всём их изобилии.
Начнём с резисторов. Как правило, SMD-резисторы выглядят вот так.
SMD-резисторы (типоразмер 1206)
Обычно на их малогабаритном корпусе указана число-буквенная маркировка, в которой закодировано номинальное сопротивление резистора. Исключение составляют микроскопические по размерам резисторы на корпусе которых просто нет места для её нанесения.
Как и обычные, SMD-резисторы различаются по мощности. Её можно определить исходя из габаритов самого элемента. Все SMD-резисторы имеют корпус определённого типоразмера. Типоразмеры стандартизированы. Каждому соответствует своя мощность рассеивания.
Но, это только в том случае, если чип-резистор не принадлежит к какой-либо особой, высокомощной серии. Стоит также понимать, что самую достоверную информацию на элемент стоит искать в даташите на него (или на серию, к которой он принадлежит).
А вот так выглядят SMD конденсаторы.
Керамические SMD-конденсаторы
В качестве SMD-конденсаторов широкое распространение получили многослойные керамические конденсаторы (MLCC – MultiLayer Ceramic Capacitors). Их корпус имеет характерный светло-коричневый цвет, а маркировка, как правило, не указывается.
Естественно, существуют и электролитические конденсаторы для поверхностного монтажа. Обычные алюминиевые конденсаторы имеют малые размеры и два коротких вывода у пластикового основания.
Алюминиевые электролитические SMD-конденсаторы
Так как габариты позволяют, то на корпусе алюминиевых SMD-конденсаторов указывается емкость и рабочее напряжение. Со стороны минусового вывода на верхней стороне корпуса чёрным цветом нанесён полукруг.
Кроме этого существуют танталовые электролитические конденсаторы, а также полимерные.
Танталовые чип-конденсаторы, в основном, выполняются в корпусе жёлтого и оранжевого цвета. Более подробно об их устройстве я уже рассказывал на страницах сайта. А вот полимерные конденсаторы имеют корпус чёрного цвета. Порой их легко спутать с SMD-диодами.
Надо отметить, что ранее, когда SMT монтаж ещё только зарождался, в ходу были конденсаторы в цилиндрическом корпусе и имели маркировку в виде цветных полос. Сейчас они встречаются всё реже.
Стабилитроны и диоды всё чаще производят в пластиковых корпусах чёрного цвета. Корпус со стороны катода маркируется полосой.
Диод Шоттки BYS10-45-E3/TR в корпусе DO-214AC
Иногда стабилитроны или диоды изготавливаются в трёхвыводном корпусе SOT-23, который активно применяют для транзисторов. Это вносит путаницу при определении принадлежности компонента. Имейте это ввиду.
Кроме стабилитронов, которые имеют пластмассовый корпус, довольно широко распространены безвыводные стабилитроны в цилиндрических стеклянных корпусах MELF и MiniMELF.
Стабилитрон на 18V (DL4746A) в стеклянном корпусе MELF
А вот так выглядит индикаторный SMD-светодиод.
Самая большая проблема таких светодиодов в том, что обычным паяльником их очень трудно выпаять с печатной платы. Подозреваю, что за это их люто ненавидят радиолюбители.
Даже при использовании термовоздушной паяльной станции вряд ли удастся выпаять SMD-светодиод без последствий. При небольшом нагреве прозрачный пластик светодиода оплавляется и просто «сползает» с основания.
Поэтому у новичков, да, и бывалых, возникает уйма вопросов, как выпаять SMD-светодиод не повредив его.
Также как и другие элементы, микросхемы адаптируют для поверхностного монтажа. Практически у всех популярных микросхем, которые изначально выпускались в DIP-корпусах под монтаж в отверстия, есть и версии для SMT-монтажа.
Для отвода тепла от микросхем в SMD-корпусах, которые в процессе работы нагреваются, частенько используется сама печатная плата и медные полигоны на её поверхности. В качестве своеобразных радиаторов используются и медные площадки на плате обильно лужёные припоем.
На фото наглядный пример, где драйвер SA9259 в корпусе HSOP-28 охлаждается медным полигоном на поверхности платы.
Естественно, под поверхностный монтаж затачиваются не только рядовые электронные компоненты, но и целые функциональные узлы. Взгляните на фото.
Микрофон для мобильного телефона Nokia C5-00
Это цифровой микрофон для мобильных телефонов Nokia C5-00. Его корпус не имеет выводов, а вместо них используются контактные площадки («пятаки» или «пады»).
Кроме самого микрофона в корпусе смонтирована и специализированная микросхема для усиления и обработки сигнала.
С микросхемами происходит тоже самое. Производители стараются избавиться даже от самых коротких выводов. На фото под №1 показана микросхема линейного стабилизатора MAX5048ATT+ в корпусе TDFN. Далее под №2 – микросхема MAX98400A. Это стереофонический усилитель класса D фирмы Maxim Integrated. Микросхема выполнена в 36-контактном корпусе TQFN. Центральная площадка используется для отвода тепла к поверхности печатной платы.
Как видим, микросхемы не имеют выводов, а только контактные площадки.
Под №3 – микросхема MAX5486EUG+. Стереофонический регулятор звука с кнопочным управлением. Корпус – TSSOP24.
В последнее время производители электронных компонентов стремятся избавиться от выводов и выполняют их в виде боковых контактных площадок. Во многих случаях площадь контакта переносят и под нижнюю часть корпуса, где он выполняет ещё и роль теплоотвода.
Так как SMD-элементы имеют небольшие размеры и установлены на поверхности печатной платы, то любая её деформация или изгиб может повредить элемент или нарушить контакт.
Так, например, многослойные керамические конденсаторы (MLCC) могут трескаться от давления на них при монтаже или из-за чрезмерной дозации припоя.
Вот один из примеров того, как излишки припоя на контактах приводят к появлению трещин в структуре конденсатора.
Фото взято из доклада фирмы TDK «Common Cracking Modes in Surface Mount Multilayer Ceramic Capacitors». Так что, много припоя не всегда хорошо.
А теперь маленькая загадка, чтобы оживить наш затянувшийся рассказ. Посмотрите на фото.
Определите, какие из элементов показаны на фото. Как, по-вашему, что скрывается под первым номером? Конденсатор? Может индуктивность? Нет, наверное, это какой-то особенный резистор.
№1 – керамический конденсатор типоразмера 1206;
№2 – NTC-термистор (терморезистор) B57621-C 103-J62 на 10 кОм (типоразмер 1206);
№3 – дроссель подавления электромагнитных помех BLM41PG600SN1L (типоразмер 1806).
К сожалению, из-за своих размеров на подавляющее большинство SMD-компонентов просто-напросто не наносят маркировку. Также как и в приведённом примере, спутать элементы очень легко, так как все они очень похожи друг на друга.
Порой, данное обстоятельство осложняет ремонт электроники, особенно в тех случаях, когда на аппарат невозможно найти технической документации и схему.
Наверняка уже заметили, что SMD-детали упаковывают в перфорированную ленту. Её же в свою очередь скручивают в катушку-бобину. Зачем это надо?
Дело в том, что лента эта используется неспроста. Она очень удобна для подачи компонентов в автоматическом режиме на монтажно-сборочных станках (установщиках).
В промышленности монтаж и пайка SMD-компонентов производится с помощью специального оборудования. Если не вдаваться в детали, то процесс выглядит следующим образом.
С помощью трафаретов на контактные площадки под элементы наносится паяльная паста. Для крупносерийного производства применяются автоматы трафаретной печати (принтеры), а для мелкосерийного используются системы дозирования материала (дозирование паяльной пасты и клея, заливка компаунда и пр.). Автоматические дозаторы нужны для производства изделий требовательных к условиям эксплуатации.
Затем происходит автоматизированная установка SMD-компонентов на поверхность платы с помощью автоматов установки компонентов (установщиков). В некоторых случаях детали на поверхности фиксируются каплей клея. Станок-установщик оснащён системой забора компонентов (с той самой ленты), системой технического зрения для их распознавания, а также системой установки и позиционирования компонентов на поверхность платы.
Далее заготовку отправляют в печь, где происходит оплавление паяльной пасты. В зависимости от техпроцесса оплавление может производиться методом конвекции или инфракрасным излучением. Например, для этого могут применяться печи конвекционного оплавления.
Отмывка печатной платы от остатков флюса и других веществ (масло, жир, пыль, агрессивные вещества), сушка. Для этого процесса используются специальные системы отмывки.
Естественно, в производственном цикле используется куда больше различных станков и приборов. Например, это могут быть системы рентгеновского контроля, испытательные климатические камеры, автоматы оптической инспекции и многое другое. Всё зависит от масштабов производства и требований к конечному продукту.
Стоит отметить, что, несмотря на кажущуюся простоту SMT-технологии, на деле всё обстоит по-другому. Примером могут служить дефекты, которые образуются на всех стадиях производства. Некоторые из них вы могли уже наблюдать, например, шарики припоя на плате.
Они образуются из-за смещения трафарета или избыточного количества паяльной пасты.
Также не редкостью является образование пустот внутри паяного соединения. Они могут быть заполнены остатками флюса. Как ни странно, но наличие небольшого количества пустот в соединении положительно сказывается на надёжности контакта, так как пустоты препятствуют распространению трещин.
Некоторые из дефектов даже получили устоявшиеся названия. Вот некоторые из них:
«Надгробный камень» – это когда компонент «встаёт на дыбы» перпендикулярно плате и запаивается одним выводом только лишь к одному контакту. Более сильное поверхностное натяжение с одного из торцов компонента заставляет его подняться над контактной площадкой.
«Собачьи уши» – неравномерное распределение пасты в отпечатке при условии достаточного её количества. Вызывает припойные перемычки.
«Холодная пайка» – некачественное паяное соединение из-за низкой температуры пайки. Внешний вид паяного соединения имеет сероватый оттенок, а также пористую, бугроватую поверхность.
Эффект «Поп-Корна» («Popcorn effect«) при пайке микросхем в корпусе BGA. Дефект, который возникает из-за испарения влаги поглощённой корпусом микросхемы. При пайке влага испаряется, внутри корпуса образуется полость вздутия, которая схлопываясь, образует трещины в корпусе микросхемы. Интенсивное парообразование при нагреве также выдавливает припой с площадок, что образует неравномерное распределение припоя среди шариков-контактов и образование перемычек. Данный дефект выявляется с помощью рентгена. Образуется из-за неправильного хранения компонентов, чувствительных к влаге.
Довольно важным расходным материалом в технологии SMT является паяльная паста. Паяльная паста состоит из смеси очень мелких шариков припоя и флюса, который облегчает процесс пайки.
Флюс улучшает смачиваемость за счёт уменьшения поверхностного натяжения. Поэтому при нагреве, расплавившиеся шарики припоя легко покрывают поверхность контакта и выводы элемента, образуя паяное соединение. Флюс также способствует удалению окислов с поверхности, а также защищает её от воздействия окружающей среды.
В зависимости от состава флюса в припойной пасте, он может выполнять и функцию клея, который фиксирует SMD-компонент на плате.
Если вы наблюдали процесс пайки SMD-компонентов, то могли заметить действие эффекта самопозиционирования элемента. Выглядит это очень здорово. За счёт сил поверхностного натяжения компонент как бы сам выравнивается относительно поверхности контакта на плате, плавая в жидком припое.
Вот так, казалось бы, такая простая идея установки электронных компонентов на поверхность печатной платы позволила уменьшить общие габариты электронных устройств, автоматизировать производство, снизить затраты на компоненты (SMD компоненты на 25–50% дешевле обычных) а, следовательно, сделать бытовую электронику более дешёвой и компактной.