Проектирование современных электронных устройств требует предельной точности при выборе компонента и создании его посадочного места на печатной плате. Ошибка всего в 0.1 мм на этапе создания в системе автоматизированного проектирования приводит к браку при автомонтаже, замыканиям выходов или невозможности установить деталь на плату. Предлагаем изучить интерактивный 3D справочник, позволяющий визуально оценить геометрию корпуса, проверить взаиморасположение контактных площадок и сравнить габариты различных компонентов перед трассировкой.
Классификация корпусов электронных компонентов
Все корпуса радиоэлектронных деталей разделяются на 2 ключевые группы по способу монтажа на печатную плату: выводные, предназначенные для монтажа в отверстия, и планарные, используемые для поверхностного монтажа. В международной практике они обозначаются как THT и SMD соответственно.
Монтаж в отверстия применяется в силовых блоках питания, высоковольтных цепях, испытательных стендах и узлах с высокой механической нагрузкой. Поверхностный монтаж занимает до 95% объёма всей современной коммерческой и промышленной электроники. Он позволяет размещать компоненты с 2 сторон платы, снижает паразитные индуктивности выводов и уменьшает габариты устройства в 3–5 раз.
SMD компоненты пассивной и активной группы
Чип-компоненты пассивной группы — резисторы, конденсаторы и индуктивности — кодируются 4 цифрами. Цифры указывают на длину и ширину корпуса. В радиоэлектронной промышленности используются 2 системы обозначений: дюймовая и метрическая. Дюймовое обозначение 0603 соответствует метрическому 1608, где длина составляет 1.6 мм, а ширина — 0.8 мм.
При трассировке важно различать эти системы, так как дюймовый корпус 0201 имеет размеры 0.6 мм на 0.3 мм, а метрический 0201 имеет длину всего 0.2 мм при ширине 0.1 мм. Работа с метрическими деталями меньше 0402 требует применения прецизионных установщиков компонентов и трафаретной печати паяльной пасты с толщиной трафарета 80–100 мкм.
Чип-диоды и цилиндрические корпуса
📏 Диоды поверхностного монтажа изготавливаются как в прямоугольных чип-корпусах типа SOD и DO-214, так и в стеклянных цилиндрических типа MELF. Цилиндрические корпуса SOD-80 и MiniMELF имеют высокую термостойкость, но склонны к смещению во время оплавления при неправильном расчете профиля пайки.
Прямоугольные диоды серии SOD имеют следующие стандарты:
- SOD-523: габариты 1.2 мм на 0.8 мм, высота 0.6 мм, шаг площадок 1.1 мм. Предназначен для портативной техники с высокой плотностью упаковывания.
- SOD-323: габариты 1.7 мм на 1.25 мм, высота 0.95 мм, номинальный ток до 0.2 А.
- SOD-123: габариты 2.7 мм на 1.6 мм, высота 1.15 мм, номинальный ток до 1 А.
Для силовых выпрямительных диодов применяются корпуса серии DO-214, разделяющиеся на 3 типа: SMA, SMB и SMC. Корпус SMA имеет размеры 4.3 мм на 2.6 мм. SMB увеличен до 4.6 мм на 3.6 мм, а SMC рассчитан на импульсные токи до 5 А при размерах 6.9 мм на 5.9 мм.
Транзисторы малого и среднего сигнала в SMD исполнении
📊 Для маломощных транзисторов и линейных регуляторов напряжения базовыми стандартами стали корпуса серии SOT. Корпус SOT-23 имеет 3 или 5 выводов с шагом 0.95 мм. Его габариты составляют 2.9 мм на 1.3 мм при высоте 1 мм. Предельная рассеиваемая мощность SOT-23 на стандартной медной площадке толщиной 35 мкм составляет 0.25 Вт.
При необходимости рассеивания мощности от 0.5 Вт до 1.5 Вт применяются корпуса SOT-89 и SOT-223. Корпус SOT-89 снабжен широким центральным выводом коллектора или стока, отводящим тепло напрямую в полигон платы. SOT-223 имеет габариты 6.5 мм на 3.5 мм и увеличенную теплоотводящую площадку, позволяющую рассеивать до 1.2 Вт мощности без дополнительного радиатора при площади медного полигона платы от 100 кв. мм.
Корпуса интегральных микросхем
Выбор корпуса микросхемы определяющим образом влияет на сложность трассировки, количество слоев печатной платы и итоговую стоимость изделия. Все интегральные микросхемы можно разделить на 4 категории по типу размещения выводов: 2-рядные выводные, 2-рядные планарные, 4-сторонние планарные и матричные.
Двухрядные корпуса DIP и SOIC
Штыревой корпус DIP имеет шаг между выводами 2.54 мм и расстояние между рядами 7.62 мм или 15.24 мм. Число выводов варьируется от 4 до 40. Корпус DIP удобен для быстрого макетирования на беспаечных платах и установки в панели, но занимает в 4–6 раз больше площади, чем планарные аналоги.
Планарный аналог SOIC имеет шаг выводов 1.27 мм. Ширина корпуса SOIC бывает 2 стандартов: узкая 3.9 мм и широкая 7.5 мм. Переход от DIP-16 к SOIC-16 уменьшает площадь текстолита под микросхемой с 200 кв. мм до 60 кв. мм.
Для еще большей плотности упаковки применяются корпуса с уменьшенным шагом выводов:
- SSOP: шаг выводов 0.65 мм, ширина корпуса 5.3 мм.
- TSSOP: шаг выводов 0.65 мм, уменьшенная толщина корпуса до 1 мм, ширина корпуса 4.4 мм.
- MSOP: шаг выводов 0.65 мм или 0.5 мм, габариты пластикового основания 3 мм на 3 мм.
Четырехсторонние корпуса QFP и PLCC
При числе выводов микросхемы от 32 до 208 шт. применяются корпуса с 4-сторонним расположением выводов. Корпус PLCC имеет выводов в форме буквы J, загнутые под днище компонента. Шаг выводов PLCC составляет 1.27 мм, что позволяет паять их как напрямую на плату, так и устанавливать в специальные панели. Благодаря J-образным выводам плата с PLCC стойка к вибрационным нагрузкам.
Корпуса семейства QFP имеют выводы в форме крыла чайки, направленные наружу. Стандартный шаг выводов QFP составляет 0.8 мм, у компактных модификаций LQFP и TQFP шаг уменьшен до 0.5 мм или 0.4 мм. Толщина корпуса TQFP составляет всего 1 мм. Трассировка планарных микросхем с шагом 0.4 мм требует использования проводников шириной 0.1 мм и технологического зазора 0.1 мм, что соответствует 3 классу точности печатных плат.
Безвыводные корпуса QFN и матричные BGA
Корпуса QFN не имеют выступающих гибких выводов. Контактные площадки расположены вровень с нижним торцем пластикового основания вдоль его периметра. В центре корпуса QFN расположен металлический полигон Exposed Pad, предназначенный для отвода тепла от кристалла и обеспечения надежного заземления.
Основные преимущества корпуса QFN:
- Минимальная длина внутренних проводников от кристалла к площадке, что снижает индуктивность вывода до 0.5 нГн.
- Отличные тепловые характеристики за счет прямого припаивания центральной площадки к слоям платы через переходные отверстия.
- Малые габариты: QFN-32 с шагом 0.5 мм занимает площадку 5 мм на 5 мм.
Корпуса BGA используют вместо плоских выводов матрицу из шариков припоя на нижней поверхности компонента. Шаг шариков BGA варьируется от 1 мм у промышленных микроконтроллеров до 0.4 мм у процессоров мобильных телефонов. BGA позволяет разместить более 1000 контактов на площади 20 мм на 20 мм. Недостатком BGA является невозможность визуального контроля качества пайки без использования рентгеновских инспекционных установок.
Выводные полупроводники и силовые компоненты
Для работы в условиях высокой мощности, высоких напряжений и больших токов используются корпуса, допускающие монтаж на внешние металлические радиаторы.
- Транзисторы малой мощности изготавливаются в пластиковом корпусе TO-92. Выводы расположен в 1 ряд с шагом 1.27 мм. Для повышения изоляционного расстояния между выводами на печатной плате их средний вывод часто формуют со смещением вперед на 2.54 мм.
- Силовые транзисторы и линейные стабилизаторы выпускаются в корпусах TO-220, TO-247, TO-126. Корпус TO-220 имеет металлическое ушко с отверстием диаметром 3.6 мм для крепления винтом к радиатору. Рассеиваемая мощность TO-220 с внешним радиатором достигает 50 Вт. Вариант TO-220F полностью изолирован пластиком, что исключает необходимость установки слюдяной прокладки при монтаже на общий радиатор, однако увеличивает тепловое сопротивление корпус-радиатор на 1.5–2 K/W.
Формулы расчета контактных площадок и тепловых режимов
✍ Для корректного формирования геометрии контактных площадок SMD компонентов в стандартах IPC-7351 применяется расчет галтелей припоя. Длина и ширина контактной площадки должны гарантировать формирование правильного мениска припоя с внешней, внутренней и боковой стороны вывода.
Расчет максимальной ширины контактной зоны Z, минимального расстояния между внутренними краями площадок G и ширины площадки X выполняется по формулам:
Zmax = Lmin + 2 · JT + CL
Gmin = Smax — 2 · JI — CS
Xmax = Wmin + 2 · JS + CW
В приведенных формулах используются следующие обозначения:
- Lmin — минимальный габарит компонента между крайними точками противоположных выводов;
- Smax — максимальное расстояние между внутренними торцами противоположных выводов;
- Wmin — минимальная ширина вывода элемента;
- JT — нормативный размер внешней галтели припоя, составляющий 0.25 мм до 0.5 мм в зависимости от класса плотности монтажа;
- JI — нормативный размер внутренней галтели припоя, составляющий 0.1 мм до 0.35 мм;
- JS — боковой запас контактной площадки, принимаемый равным 0.05 мм до 0.15 мм;
- CL, CS, CW — технологические допуски совмещения слоев, погрешности изготовления платы и допуски на геометрические размеры самого компонента.
Расчет теплового режима компонента
🌡 Расчет температуры кремниевого P-N перехода транзистора или микросхемы при работе в герметичном блоке выполняется на основе цепи тепловых сопротивлений. Максимальная температура кристалла не должна превышать предельного значения, указанного в документации, обычно равного 125 или 150 градусам Цельсия.
Формула расчета температуры P-N перехода:
Tj = Ta + P · Rth(j-a)
Полное тепловое сопротивление кристалл-окружающая среда складвается из суммарных сопротивлений элементов конструкции:
Rth(j-a) = Rth(j-c) + Rth(c-s) + Rth(s-a)
В этой формуле приняты следующие обозначения переменных:
- Tj — температура кремниевого кристалла полупроводникового прибора в градусах Цельсия;
- Ta — максимальная температура воздуха внутри корпуса прибора в градусах Цельсия;
- P — мощность, выделяемая на полупроводниковом переходе в Ваттах;
- Rth(j-c) — тепловое сопротивление от кристалла к корпусу детали в K/W;
- Rth(c-s) — тепловое сопротивление контакта корпус-радиатор с учетом теплопроводящей пасты в K/W;
- Rth(s-a) — тепловое сопротивление охладительного радиатора в окружающую среду в K/W.
Пример расчета: транзистор в корпусе TO-220 выделяет мощность 12 Вт. Температура внутри корпуса прибора составляет 45 градусов. Тепловое сопротивление кристалл-корпус Rth(j-c) равно 1.5 K/W, сопротивление прокладки Rth(c-s) равно 0.5 K/W, а радиатор имеет параметр Rth(s-a) равный 4 K/W. Суммарное сопротивление составит 1.5 + 0.5 + 4 = 6 K/W. Температура кристалла Tj составит 45 + 12 · 6 = 117 градусов Цельсия, что не превышает допустимый лимит 150 градусов.
Справочные таблицы габаритов и параметров корпусов
Таблица 1: Чип-компоненты поверхностного монтажа
| Дюймовый код | Метрический код | Размеры корпуса, мм | Мощность резистора, Вт |
|---|---|---|---|
| 0201 | 0603 | 0.6 х 0.3 х 0.23 | 0.05 |
| 0402 | 1005 | 1 х 0.5 х 0.35 | 0.063 |
| 0603 | 1608 | 1.6 х 0.8 х 0.45 | 0.1 |
| 0805 | 2012 | 2 х 1.25 х 0.5 | 0.125 |
| 1206 | 3216 | 3.2 х 1.6 х 0.55 | 0.25 |
| 1210 | 3225 | 3.2 х 2.5 х 0.55 | 0.5 |
| 1812 | 4532 | 4.5 х 3.2 х 0.6 | 0.75 |
| 2010 | 5025 | 5 х 2.5 х 0.6 | 0.75 |
| 2512 | 6332 | 6.3 х 3.2 х 0.6 | 1 |
Таблица 2: Корпуса интегральных микросхем
| Тип корпуса | Диапазон выводов | Шаг выводов, мм | Область применения |
|---|---|---|---|
| DIP | 4–40 | 2.54 | Макетные платы, выводной монтаж, силовой контроль |
| SOIC | 8–32 | 1.27 | Базовая аналоговая и цифровая логика, интерфейсы |
| TSSOP | 8–56 | 0.65 | Портативные приборы, операционные усилители |
| LQFP | 32–216 | 0.8 / 0.5 | 32-битные микроконтроллеры, ПЛИС, ЦСП |
| QFN | 16–64 | 0.5 / 0.4 | Беспроводные модули, ВЧ микросхемы, драйверы |
| PLCC | 20–84 | 1.27 | Автомобильная электроника, энергонезависимая память |
| BGA | 48–1500 | 1 / 0.8 / 0.5 | Процессоры, графические чипы, память DDR |
Таблица 3: Диоды и силовые транзисторы
| Корпус | Тип монтажа | Сопротивление Rth(j-c), K/W | Габариты основания, мм |
|---|---|---|---|
| SOD-123 | SMD | 85 | 2.7 х 1.6 |
| SMA | SMD | 30 | 4.3 х 2.6 |
| SOT-23 | SMD | 100 | 2.9 х 1.3 |
| SOT-223 | SMD | 15 | 6.5 х 3.5 |
| DPAK | SMD | 3 | 6.5 х 6.1 |
| TO-92 | THT | 80 | 4.5 х 3.8 |
| TO-220 | THT | 1.5 | 10 х 15 |
| TO-247 | THT | 0.7 | 15.8 х 20.9 |
Таблица 4: Классы точности печатных плат по ГОСТ R 53429
| Класс точности | Мин. ширина проводника, мм | Мин. зазор, мм | Гарантийный пояс отверстия, мм |
|---|---|---|---|
| 1 класс | 0.25 | 0.25 | 0.2 |
| 2 класс | 0.2 | 0.2 | 0.15 |
| 3 класс | 0.15 | 0.15 | 0.1 |
| 4 класс | 0.1 | 0.1 | 0.05 |
| 5 класс | 0.075 | 0.075 | 0.025 |
Практические правила трассировки и работы с 3D моделями
При размещении компонентов на плате необходимо следовать системным технологическим правилам, предотвращающим появление брака при автоматизированной сборке. Ключевые параметры разводки включают учет теплового барьера, масочного зазора и зазоров между корпусами компонентов.
Ориентация компонентов и маркировка первого вывода
Все микросхемы и поляризованные компоненты на одной печатной плате должны по возможности иметь единообразную ориентацию. Это упрощает работу оператора на этапе контроля и ускоряет работу оптических инспекционных систем AOI.
Для определения 1-го вывода применяются следующие графические обозначения на шелкографии:
- Точка или скос угла у микросхем в корпусах DIP, SOIC, QFP и QFN.
- Засечка или белая полоса со стороны катода у выпрямительных и сигнальных диодов.
- Скос корпуса у цилиндрических кварцевых резонаторов и выводных светодиодов.
- Срезанный угол у танталовых конденсаторов в корпусах EIA, обозначающий положительный вывод.
Настройка паяльной маски и трафарета
Окно в слое паяльной маски должно быть больше контактной площадки на 0.05 мм по каждому краю. Это компенсирует погрешность совмещения фотошаблона при производстве платы. Расстояние между соседними окнами паяльной маски называется мостиком маски. Минимальная ширина мостика маски составляет 0.1 мм. Если шаг между площадками микросхемы не позволяет выдержать этот зазор, применяются групповые окна маски без перемычек между выводами. Апертуры трафарета для нанесения паяльной пасты под чип-компоненты размеров 0805 и 1206 уменьшают на 10% относительно размеров медных площадок. Это предотвращает образование шариков припоя под корпусом элемента при оплавлении в печи.
Список литературы
- Медведев А. М. Технология печатных плат. — М.: Техносфера, 2005. — 360 с.
- Пирогова Е. В. Проектирование печатных плат для радиоэлектронной аппаратуры. — М.: Энергоатомиздат, 2001. — 160 с.
- Высоковский И. Б. Конструирование и технология печатных плат. — М.: Высшая школа, 2008. — 288 с.
- Гусев В. Г., Гусев Ю. М. Электроника и микропроцессорная техника. — М.: Высшая школа, 2006. — 799 с.
- Уолтерс Л. Сборка и монтаж электронных узлов по международным стандартам IPC. — М.: Додэка-XXI, 2012. — 416 с.
- ГОСТ Р 53429-2009. Платы печатные. Основные параметры конструкции. — М.: Стандартинформ, 2010. — 32 с.
