В наш бурный век электроники главными преимуществами электронного изделия являются малые габариты, надежность, удобство монтажа и демонтажа (разборка оборудования), малое потребление энергии а также удобное юзабилити (от английского – удобство использования). Все эти преимущества ну никак не возможны без технологии поверхностного монтажа – SMT технологии (S urface M ount T echnology ), и конечно же, без SMD компонентов.

Что такое SMD компоненты

SMD компоненты используются абсолютно во всей современной электронике. SMD (S urface M ounted D evice ), что в переводе с английского – “прибор, монтируемый на поверхность”. В нашем случае поверхностью является печатная плата, без сквозных отверстий под радиоэлементы:

В этом случае SMD компоненты не вставляются в отверстия плат. Они запаиваются на контактные дорожки, которые расположены прямо на поверхности печатной платы. На фото ниже контактные площадки оловянного цвета на плате мобильного телефона, на котором раньше были SMD компоненты.

Плюсы SMD компонентов

Самыми большим плюсом SMD компонентов являются их маленькие габариты. На фото ниже простые резисторы и :

Благодаря малым габаритам SMD компонентов, у разработчиков появляется возможность размещать большее количество компонентов на единицу площади, чем простых выводных радиоэлементов. Следовательно, возрастает плотность монтажа и в результате этого уменьшаются габариты электронных устройств. Так как вес SMD компонента в разы легче, чем вес того же самого простого выводного радиоэлемента, то и масса радиоаппаратуры будет также во много раз легче.

SMD компоненты намного проще выпаивать. Для этого нам потребуется с феном. Как выпаивать и запаивать SMD компоненты, можете прочитать в статье как правильно паять SMD . Запаивать их намного труднее. На заводах их располагают на печатной плате специальные роботы. Вручную на производстве их никто не запаивает, кроме радиолюбителей и ремонтников радиоаппаратуры.

Многослойные платы

Так как в аппаратуре с SMD компонентами очень плотный монтаж, то и дорожек в плате должно быть больше. Не все дорожки влезают на одну поверхность, поэтому печатные платы делают многослойными. Если аппаратура сложная и имеет очень много SMD компонентов, то и в плате будет больше слоев. Это как многослойный торт из коржей. Печатные дорожки, связывающие SMD компоненты, находятся прямо внутри платы и их никак нельзя увидеть. Пример многослойных плат – это платы мобильных телефонов, платы компьютеров или ноутбуков (материнская плата, видеокарта, оперативная память и тд).

На фото ниже синяя плата – Iphone 3g, зеленая плата – материнская плата компьютера.

Все ремонтники радиоаппаратуры знают, что если перегреть многослойную плату, то она вздувается пузырем. При этом межслойные связи рвутся и плата приходит в негодность. Поэтому, главным козырем при замене SMD компонентов является правильно подобранная температура.

На некоторых платах используют обе стороны печатной платы, при этом плотность монтажа, как вы поняли, повышается вдвое. Это еще один плюс SMT технологии. Ах да, стоит учесть еще и тот фактор, что материала для производства SMD компонентов уходит в разы меньше, а себестоимость их при серийном производстве в миллионах штук обходится, в прямом смысле, в копейки.

Основные виды SMD компонентов

Давайте рассмотрим основные SMD элементы, используемые в наших современных устройствах. Резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности с малым номиналом, и другие компоненты выглядят как обычные маленькие прямоугольники, а точнее, параллелепипеды))

На платах без схемы невозможно узнать, то ли это резистор, то ли конденсатор то ли вообще катушка. Китайцы метят как хотят. На крупных SMD элементах все-таки ставят код или цифры, чтобы определить их принадлежность и номинал. На фото ниже в красном прямоугольнике помечены эти элементы. Без схемы невозможно сказать, к какому типу радиоэлементов они относятся, а также их номинал.

Типоразмеры SMD компонентов могут быть разные. Вот есть описание типоразмеров для резисторов и конденсаторов. Вот, например, прямоугольный SMD конденсатор желтого цвета. Еще их называют танталовыми или просто танталами:

А вот так выглядят SMD :

Есть еще и такие виды SMD транзисторов:

Которые обладают большим номиналом, в SMD исполнении выглядят вот так:

Ну и конечно, как же без микросхем в наш век микроэлектроники! Существует очень много SMD типов корпусов микросхем , но я их делю в основном на две группы:

1) Микросхемы, у которых выводы параллельны печатной плате и находятся с двух сторон или по периметру.

2) Микросхемы, у которых выводы находятся под самой микросхемой. Это особый класс микросхем, называется BGA (от английского Ball grid array – массив из шариков). Выводы таких микросхем представляют из себя простые припойные шарики одинаковой величины.

На фото ниже BGA микросхема и обратная ее сторона, состоящая из шариковых выводов.

Микросхемы BGA удобны производителям тем, что они очень сильно экономят место на печатной плате, потому что таких шариков под какой-нибудь микросхемой BGA могут быть тысячи. Это значительно облегчает жизнь производителям, но нисколько не облегчает жизнь ремонтникам.

Резюме

Что же все-таки использовать в своих конструкциях? Если у вас не дрожат руки, и вы хотите сделать, маленького радиожучка, то выбор очевиден. Но все-таки в радиолюбительских конструкциях габариты особо не играют большой роли, да и паять массивные радиоэлементы намного проще и удобнее. Некоторые радиолюбители используют и то и другое. Каждый день разрабатываются все новые и новые микросхемы и SMD компоненты. Меньше, тоньше, надежнее. Будущее, однозначно, за микроэлектроникой.

“Утюжно-лазерная” технология изготовления печатных плат (УЛТ) буквально за пару лет широко распространилась в радиолюбительских кругах и позволяет получать печатные платы достаточно высокого качества. Печатные платы с “ручной прорисовкой” требуют больших затрат времени и не застрахованы от ошибок.

Особые требования к точности рисунка предъявляются при изготовлении печатных катушек индуктивности для высокочастотных цепей. Кромки проводников катушек должны быть максимально ровными, так как это влияет на их добротность. Выполнить вручную рисунок многовитковой спиральной катушки весьма проблематично, и здесь УЛТ вполне может сказать “свое слово”.

Рис. 1

Рис. 2

Итак, все по-порядку. Запускаем компьютерную программу SPRINT-LAYOUT , например, версии 5.0. Устанавливаем в настройках программы:

Масштаб координатной сетки - 1,25 мм;

Ширину линии - 0,8 мм;

Размеры платы - 42,5x42,5 мм;

Внешний диаметр “пятачка” - 1,5 мм;

Диаметр отверстия в “пятачке” - 0,5 мм.

Находим центр платы и рисуем шаблон проводника катушки (рис.1) по координатной сетке с помощью инструмента ПРОВОДНИК, закручивая катушку в нужную сторону (для шаблона необходимо зеркальное изображение, но его можно получить и позднее, при печати). В начало и в конец катушки устанавливаем по “пятачку” для соединения катушки с элементами схемы.

В настройках для печати устанавливаем количество отпечатков на листе, расстояние между отпечатками и, если необходимо “закрутить” катушку в другую сторону, зеркальную печать рисунка. Печатать следует на гладкой бумаге или специальной пленке, установив в настройках принтера максимальную подачу тонера при печати.

Далее следуем по стандартной УЛТ. Подготавливаем фольгированный стеклотекстолит, зачищаем поверхность фольги и обезжириваем, например, ацетоном. Прикладываем шаблон тонером к фольге и проглаживаем горячим утюгом через лист бумаги до надежного сцепления тонера с фольгой.

После под струей воды из-под крана (холодной или комнатной температуры) размачиваем бумагу и осторожно “катышками” удаляем ее, оставляя тонер на фольге платы. Производим травление платы и последующее удаление тонера с нее растворителем, например, ацетоном. На плате остается четкий проводник “печатной” катушки индуктивности высокого качества.

Печатные катушки со спиральными витками по УЛТ получаются немного худшего качества. Дело здесь в квадратной форме пикселей изображения, поэтому края проводника спиральной катушки получаются зубчатыми. Правда, эти неровности достаточно мелкие, и качество катушки, в общем, все равно выше, чем при ручном исполнении.

Снова открываем программу SPRINT-LAYOUT версии 5.0. В инструментарии выбираем SPECIAL FORM - инструмент для рисования многоугольников и спиралей. Выбираем закладку SPIRAL. Устанавливаем:

Начальный радиус (START RADIUS) -2 мм;

Расстояние между витками (DISTANCE)-1,5 мм;

Ширину проводника (TRACK WIDTH) -0,8 мм;

Количество витков (TURNS), например, - 20.

Размер платы, занимаемой такой катушкой, составляет 65x65 мм (рис.2).

Печатные катушки обычно связывают между собой в полосовых фильтрах (ПФ) с помощью конденсаторов малой емкости. Однако возможна и их индуктивная связь, степень которой можно изменять, меняя расстояние между плоскостями катушек или эксцентрично поворачивая одну относительно другой. Фиксированное крепление катушек относительно друг друга можно осу-

ществить с помощью диэлектрических стоек-распорок.

Подстройку индуктивности катушек можно производить замыканием витков, разрывом печатного проводника или его частичным удалением. Это приведет к повышению частоты настройки контура. Снижения частоты можно добиться, припаивая между витками конденсаторы небольшой емкости SMD-типов.

Изготовление катушек УКВ диапазона в виде меандра, прямых и изогнутых линий, гребенчатых фильтров и т.п. с применением УЛТ также добавляет в конечный продукт изящества и, как правило, увеличивает их добротность (за счет “гладких" краев печатных проводников). Однако при изготовлении следует помнить о качестве материала подложки (стеклотекстолита), который с ростом частоты теряет свои свойства изолятора. В эквивалентных схемах сопротивление потерь в диэлектрике следует включать параллельно печатным катушкам, и это сопротивление будет тем меньше, чем выше рабочая частота и хуже качество диэлектрика.

На практике фольгированный стеклотекстолит можно полноценно применять для изготовления печатных резонансных цепей до 2-метрового диапазона включительно (примерно до 150 МГц). Специальные высокочастотные сорта стеклотекстолита можно использовать в диапазоне 70 см (примерно до 470...500 МГц). На более высоких частотах следует применять фольгированный РЧ-фторопласт (тефлон), керамику или стекло.

Печатная катушка индуктивности имеет повышенную добротность за счет уменьшения междувитковой емкости, получаемой, с одной стороны, вследствие малой толщины фольги, с другой, шага “намотки” катушки. Замкнутая рамка из заземленной фольги вокруг печатной катушки в ее плоскости служит экраном от других катушек и печатных проводников, но мало влияет на параметры катушки, если ее периферия находится под малым РЧ-напряжением (соединена с общим проводом), а центр - под высоким.

Литература

1. Г.Панасенко. Изготовление печатных катушек. - Радио, 1987, №5, С.62.

Плоские печатные катушки чаще всего применяют в диапазонах метровых и дециметровых волн для уменьшения габаритов устройства. Обычно их выполняют с круглой, квадратной формой витков или в форме меандра , хотя можно и в виде многоугольника. В последнее время с появлением технологии многослойных печатных плат, появились и многослойные катушки на печатной плате . Применение сердечника из магнитного материала малоэффективно, - так как такой сердечник удален от витков катушки и может менять ее индуктивность на 3 - 5 %, что в большинстве случаев недостаточно. Поэтому печатные катушки индуктивности применяются в большинстве случаев тогда, когда не требуется подстройка и величина индуктивности не превышает единиц микрогенри.

На нашем сайте можно воспользоваться онлайн калькулятором для расчета катушек на печатной плате

В программе Coil32, начиная с версии 9.6, плоские печатные катушки с круглой и квадратной формой витков формой витков рассчитываются по общей эмпирической формуле:

• L - индуктивность (мкГн)
• D - наружный диаметр спирали (мм)
• d - внутренний диаметр спирали (мм)
• N - число витков
• D avg - средний диаметр катушки (мм)
• φ - коэффициент заполнения

Коэффициенты c 1 - c 4 сведены в таблицу:

Шаг намотки на рисунке обозначен как "s ". При неизменном "s ", если увеличивать ширину витка - увеличивается добротность катушки и ее собственная емкость. Обычно для минимизации размеров катушки ширину печатного проводника делают близкой к расстоянию между проводниками, поэтому в формуле влияние "s " на величину индуктивности не учитывается. Оптимальное значение d/D = 0.4 для круглой катушки и его программа выбирает автоматически. Для квадратной катушки оптимальное значение d/D = 0.362 и его программа также выбирает автоматически.

Погрешность расчета индуктивности по этой формуле не превышает 8% при s не более 3w, т.е. если промежуток между полосками не более двойной ширины полоски.

Индуктивный элемент в виде прямого печатного проводника рассчитывается по следующей эмпирической формуле:

, где:

• L - индуктивность (мкГн)
• l - длина проводника (мм)
• b - ширина проводника (мм)

Такие индуктивные элементы часто применяют в фильтрах ДМВ диапазона. Поскольку собственная емкость такого индуктивного элемента довольно велика, необходимо иметь в виду, что более корректно представлять его в виде отрезка длинной линии с распределенными параметрами. Однако для приблизительных расчетов принятое здесь упрощение модели вполне приемлемо.

Способом печатания могут быть выполнены многие элементы схемы: резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности, многовитковые катушки трансформаторов и дросселей, переключатели и штепсельные разъемы.

Печатные резисторы изготавливают нанесением на поверхность платы тонких лакосажевых пленок.

Конфигурация их (рис. 35, а) бывает самая разнообразная и зависит от возможности обеспечения механической прочности и условий теплоотдачи. Печатным способом выполняют и переменные резисторы, которые состоят из токопроводящего углеродистого или металлического слоя дугообразной формы и контактного ползуна, скользящего по поверхности токопроводящего элемента. Величина сопротивления печатного резистора зависит от состава суспензии, формы рисунка и толщины пленки.

Широкое применение получили пленочные композиционные резисторы типа СЗ-4. Эти резисторы изготовляют непосредственно на поверхности микроплаты. Они могут использоваться в температурном диапазоне от -60 до +125°С, а мощность, рассеиваемая микрорезисторами, не превышает 0,25 Вт.

Печатные конденсаторы выполняются нанесением двух токопроводящих обкладок на обе стороны изоляционного основания (рис. 35, б). Емкость конденсатора определяется площадью его обкладок и толщиной диэлектрика (платы). На рис. 35, в показан полуперемецный печатный конденсатор, у которого пластина статора нанесена непосредственно на изолирующее основание платы, а пластина ротора - на керамический диск, который может поворачиваться вокруг оси параллельно плоскости платы, изменяя величину емкости. Применение керамических материалов позволяет получать стабильные конденсаторы с номиналами от единиц до нескольких сотен пикофарад и рабочим напряжением 100В и более.

Печатные катушки индуктивности (рис. 35, г) изготавливают в виде плоских спиральных металлизированных линий круглой, овальной, квадратной или другой формы, нанесенных на плату. Величина индуктивности таких катушек зависит от числа витков катушки, расстояния между ними и их диаметра. Для увеличения индуктивности печатных катушек их выполняют многослойными, при этом одну катушку отделяют от другой изоляционным слоем лака, а концы катушек соединяют между собой последовательно. В отдельных случаях увеличение индуктивности достигается введением в центр спирали магнитодиэлектрических сердечников или нанесением слоя магнитной краски в поле катушки. На печатных схемах можно создавать и переменную индуктивность, для чего над напечатанной катушкой устанавливают медную или алюминиевую пластинку, которую можно перемещать.

Для увеличения добротности катушек на иихнаращивают гальваническим способом слой серебра толщиной 20...50 мкм.

Печатные трансформаторы и дроссели выполняются нанесением отдельных спиральных катушек на гибкое основание из фторопласта, лакоткани, бакелизированной бумаги И ли других изоляционных материалов. Печатные обмотки соединяют между собой последовательно и помещают в Специальный корпус или опрессовывают в пластмассовую оболочку.

Печатные переключатели и штепсельные разъемы могут быть изготовлены или непосредственно на плате с печатной схемой радиоприёмника , или на отдельных платах. Печатный переключатель даже самой высокой сложности дешевле, чем изготовленный любым другим способом. Для повышения стойкости контактов печатного переключателя к истиранию их покрывают серебром, что обеспечивает надежность в работе до нескольких сотен тысяч переключений. Для обеспечения повышенной стойкости медные контакты переключателей покрывают слоем родия толщиной б... 10 мкм.

Печатные элементы при необходимости экранируют, нанося на поверхность рисунка слой изоляционного лака, который затем покрывается слоем магнитного, материала. Экранирование проводников выполняют не сплошным, а сетчатым или щелевидным.