207. Рабочее место сборки: статика, пайка SMD, отмывка

Серию собирает завод (раздел 199), но первые платы, ремонт и доработки паяются руками — на том же столе, где живут мультиметр, осциллограф и лабораторный источник (раздел 36а). Этот раздел — про сам стол: почему микроконтроллер убивает разряд, которого рука даже не почувствует, как устроено заземление рабочего места и как проверить его мультиметром за минуту, при каких температурах плавится припой и чем опасен фен, как паять LQFP-48 и мелочь 0603 без перемычек и «надгробий» и почему «безотмывочный» флюс не означает «безвредный». Числа — из даташитов STM32F103 и STM32F407 в паках (прогон _verify/solder207/ds207.py) и расчётов calc207.py там же.

Как это называется в документации

Оригинал	Перевод
ESD protected area (EPA)	зона защиты от статики: стол, где всему есть путь на землю
charged device model (CDM)	модель заряженного корпуса: разряжается сама микросхема
wrist strap	антистатический браслет
dissipative mat	рассеивающий коврик: проводит, но через мегаомы
air ionizer	ионизатор воздуха: снимает заряд с диэлектриков
no-clean flux	безотмывочный флюс: остатки задуманы безвредными
solder wick, desoldering braid	оплётка: медная плетёнка, забирающая лишний припой
drag soldering	пайка волочением: жало тянут вдоль ряда выводов
surface insulation resistance (SIR)	поверхностное сопротивление изоляции платы
eutectic alloy	эвтектический сплав: плавится в одной точке, а не в диапазоне

207.1 Статика: почему камень умирает молча и не сразу

Человек — заряженный конденсатор ёмкостью около 150 пФ. Сколько на нём вольт — вопрос к полу, обуви и погоде: по типовым оценкам практики статикобезопасности прогулка по синтетическому ковру в сухом воздухе заряжает до 15–35 кВ, тот же маршрут при влажности 65–90 % — примерно до 1,5 кВ. Это порядок величины, не точное число: всё решает влажность. Важнее другое: порог, с которого разряд вообще ощущается как щелчок, — около 3 кВ. Всё, что ниже, происходит незаметно для человека.

Теперь сторона микросхемы. В даташитах и F103, и F407 есть таблица «ESD absolute maximum ratings», и числа в ней одинаковые (прогон ds207.py):

Модель человеческого тела — конденсатор 100 пФ, разряжаемый через 1,5 кОм: при паспортных 2 кВ это пик 1,3 А с постоянной времени 150 нс и энергия CU²/2 = 0,2 мДж (расчёт calc207.py). Человек, заряженный до 8 кВ, несёт 4,8 мДж — в 24 раза больше; до 15 кВ — 16,9 мДж, в 84 раза. Разница между «не почувствую» (3 кВ) и «паспорт кончился» (2 кВ) — и есть главная причина, по которой стол оборудуют до первой пайки: опасный разряд не сопровождается ничем ощутимым.

Вторая строка таблицы коварнее. Модель заряженного корпуса — это когда заряжена сама микросхема: корпус набирает заряд, скользя по пластиковому пеналу или ленте, а затем касается выводом чего-то заземлённого — пинцета, жала, платы. Фронт такого разряда короче наносекунды, и паспортный предел вдвое-вчетверо ниже: 500 В. Именно поэтому заземляют не только человека, но и всё, чего микросхема касается.

Умирает камень при этом молча и не всегда сразу. Разряд пробивает подзатворный окисел — плёнку толщиной в нанометры: при типовой электрической прочности порядка 1 В/нм окислу в 5 нм достаточно 5 В, дошедших до затвора, — всё остальное съедает и должна съесть встроенная защита вывода (как она устроена и почему её не хватает — раздел 62). Если пробой частичный, вывод продолжает работать — с подросшей утечкой, — и плата проходит все проверки, а отказывает через недели у заказчика. Латентное повреждение не видно ни глазом, ни тестером — потому от статики защищаются процедурой, а не ремонтом.

⚠️ Здесь речь о хранении и монтаже, не о работе изделия. Разряд в собранный прибор по корпусу и разъёмам — задача системного уровня, её решают защита выводов (раздел 62) и оборона изделия (раздел 203). Паспортные 2 кВ HBM относятся к голой микросхеме на столе — до того, как её впаяли за TVS и корпус.

207.2 Браслет, коврик, заземление

Вся защита стола сводится к одному правилу: у каждого заряда должен быть путь на землю — медленный. Медленный, потому что важна не сама земля, а ток, которым заряд по ней стекает: разряд 8 кВ напрямую в металл — это десятки ампер за наносекунды (модель с 330 Ом — раздел 203.3), а через резистор 1 МОм тот же заряд стекает током не более 8 мА с постоянной времени около 150 мкс — без искры и без броска тока.

Как это устроено:

• Браслет — проводящая лента на запястье, в шнуре которой спрятан резистор 1 МОм. Он же — защита в обратную сторону: если рука в браслете коснётся фазы 230 В, через тело пойдёт 0,23 мА — на порядки ниже опасного. Браслет работает только при контакте с кожей: надетый на рукав, он украшение.
• Коврик на столе — не металл и не пластик, а рассеивающий материал: типовое поверхностное сопротивление от единиц мегаом до гигаома. Плата и микросхемы лежат на нём, заряд стекает через шнур коврика с тем же 1 МОм.
• Паяльник — жало заземлено напрямую через станцию: единицы ом до защитного проводника розетки. Плавающее жало под потенциалом — это разряд в первый же вывод, которого оно коснётся.
• Всё сходится в одну точку — защитный проводник розетки (PE).

🔧 Проверка мультиметром за минуту. Омметром (раздел 36а.1): кнопка браслета — «крокодил» на конце шнура: около 1 МОм; заметно меньше — пробит резистор, «за пределом» — оборван шнур. Жало — контакт PE вилки станции: единицы ом. Коврик от точки к точке: мегаомы и выше — здесь у многих мультиметров предел измерения ниже сопротивления коврика, и «за пределом» само по себе браком не является; важно, что коврик не звонится как металл и не молчит как пластиковая скатерть.

Что на столе опасно: всё, с чего заряд стечь не может. Пластиковые корпуса и коробки, пенопласт, скотч, полиэтиленовые пакеты, синтетика одежды и обивка стула держат заряд часами — их со стола убирают, платы хранят в рассеивающих или экранирующих пакетах. Диэлектрик заземлением не разрядить в принципе: если пластик в зоне работы неизбежен, заряд с него снимает только ионизатор воздуха. И самый дешёвый союзник — влажность: зимой у батареи воздух высыхает до 10–20 %, и те же действия дают на порядок больше киловольт, чем летом.

207.3 Паяльник и фен: температуры

Отправная точка любой температуры на столе — точка плавления припоя. Классический оловянно-свинцовый сплав 63 % олова и 37 % свинца — эвтектика: плавится и застывает в одной точке, 183 °C, ниже, чем каждый из чистых металлов (олово 232 °C, свинец 327 °C) — состав подобран ровно в минимум сплава. Типовой бессвинцовый сплав — 96,5 % олова, 3 % серебра и 0,5 % меди (маркировка SAC305 — по составу: S, A, C и доли) — плавится при 217–219 °C, на 34 °C выше эвтектики; сверка состава и разниц — calc207.py.

Жало при этом греют не «до плавления», а с запасом на теплоотвод в полигоны и выводы: практическое правило — на 100–130 °C выше точки плавления. Для оловянно-свинцового это около 300 °C, для бессвинцового 330–350 °C. Выше — не быстрее: флюс сгорает раньше, чем успевает очистить площадку, припой перестаёт смачивать, жало покрывается окалиной. Если пайка «не идёт», в девяти случаях из десяти не хватает не температуры, а флюса или прижатой площади контакта.

⚠️ Температура жала — не температура пайки. Индикатор станции показывает датчик внутри жала, а не площадку. Массивный полигон земли высасывает тепло быстрее, чем тонкое жало его подводит: пайка на нём при честных 300 °C на индикаторе так и останется холодной. Лечится не поворотом ручки на максимум, а жалом потолще и термобарьерами в разводке (крест-накрест подведённые дорожки у площадки).

Фен — второй инструмент: он греет весь корпус сразу, и для демонтажа многовыводных корпусов или пайки компонента с брюшной площадкой ему альтернативы на столе нет. Но у потока горячего воздуха два побочных эффекта. Первый — он сдувает мелочь: чип-компонент 0603 весит около 2,2 мг, а 0201 — 0,16 мг (объём на плотность керамики, calc207.py); узкая насадка и минимальный поток — не рекомендация, а условие выживания соседей. Второй — фен греет всё вокруг цели: соседние пластиковые разъёмы плывут, стеклотекстолит при длительном перегреве темнеет и расслаивается (типовая температура стеклования базового FR-4 — около 135 °C, дальше смола мягкая), а соседние микросхемы получают полный цикл нагрева со всеми последствиями для влаги в корпусе (207.7).

207.4 Пайка LQFP-48 и 0603 руками

Дефекты монтажа и как их увидеть — таблица в 200.1; здесь — откуда они берутся и как паять, чтобы их не было.

Чип-компонент 0603. Залудить одну площадку тонким слоем, взять компонент пинцетом, подвести и прогреть залуженную площадку с торцом компонента — деталь села; затем пропаять второй вывод, и вернуться к первому с каплей припоя. «Надгробие» — компонент, вставший на торец, — это физика, а не неаккуратность: пока плавится припой только с одной стороны, поверхностное натяжение расплава тянет этот торец вниз и поднимает противоположный. Руками лекарство простое — плавить оба конца не одновременно, а последовательно и до конца: прихватка, полноценная пайка второго вывода, возврат к первому. Феном — греть компонент по центру, а не с одного торца.

LQFP-48 с шагом 0,5 мм (корпус платы раздела 131) руками паяется быстрее, чем кажется, — если не пытаться паять по одному выводу:

1. Залудить одну угловую площадку. Поставить корпус по ключу (точка — вывод 1; полярность сверяется до пайки, 200.1), прогреть угол — корпус прихвачен.
2. Проверить совмещение по всем четырём сторонам: при шаге 0,5 мм промах на полплощадки виден по крайним выводам. Пока держит один угол, корпус можно двигать, грея прихватку. Затем прихватить диагональный угол.
3. Нанести флюс-гель на выводы всей стороны. Набрать немного припоя на скошенное жало и волочением — одним медленным движением вдоль ряда с лёгким касанием кончиков выводов — пропаять сторону. Припой сам распределяется по выводам, пока его немного, а флюса много.
4. Перемычки между соседними выводами не выпаивают «по одной»: на мостик кладут оплётку с флюсом, прогревают — плетёнка забирает лишний припой, перемычка исчезает целиком.

🔧 Флюс — расходник, а не аварийный запас. Волочение работает на свежем геле: одна сторона — одна полоска флюса. Сухие выводы дают перемычки на каждом третьем выводе, и оплётки уйдёт больше, чем ушло бы флюса. После пайки остатки геля с мегаомных цепей придётся отмыть — чем это грозит, если не отмыть, посчитано в следующем подразделе.

207.5 Отмывка: что остатки флюса делают с мегаомными цепями

Флюсы делятся на два лагеря. Отмывочные — активные: хорошо паяют, но их остатки проводят и корродируют, мыть обязательно. Безотмывочные (no-clean) — остатки задуманы безвредными: слабо активированы, некорродирующие, и для типовых цифровых цепей их действительно можно не трогать (в 200.1 остатки вокруг паек названы нормой). Подвох в слове «типовых»: «безвредный» — это про коррозию, а не про сопротивление. Плёнка остатков на плате — это дополнительный резистор между соседними цепями, и его величина измеряется как раз тем самым поверхностным сопротивлением изоляции: у чистой сухой платы — гигаомы, у плёнки флюса, набравшей влагу из воздуха, — десятки и единицы мегаом.

Пока вокруг килоомные цепи, мегаомы утечки невидимы. Теперь посчитаем мегаомную (расчёт calc207.py): напряжение батареи 3,0 В измеряется делителем 10 МОм + 10 МОм — ток делителя всего 150 нА, ради этого его таким и делали. Чистая плата даёт на входе АЦП ровно 1,500 В. Плёнка флюса в 100 МОм — оптимистичная оценка для непромытого участка — параллельно нижнему плечу превращает его в 9,09 МОм: на входе 1,429 В, смещение −71 мВ, и 12-битный АЦП с Vref = 3,3 В врёт на 89 отсчётов. Во влажный день та же плёнка проседает до 10 МОм — на входе 1,000 В, минус 621 отсчёт: треть измеряемой величины исчезла, хотя схема исправна, прошивка честна и вчера всё сходилось.

Отсюда правило: всё высокоомное и точное — отмывать. Мегаомные делители и входы АЦП, охранные кольца (раздел 181), выводы кварца — плёнка флюса шунтирует резонатор и срывает генерацию (раздел 174), обвязка операционных усилителей с большими резисторами. Порядок: изопропиловый спирт или специальная смывка, жёсткая кисть, протирка безворсовой салфеткой — и обязательная сушка: свежерастворённый флюс, размазанный кистью и оставленный сохнуть лужей, хуже нетронутого, потому что тонкой плёнкой накрывает уже всю плату, а не окрестность пайки. Мыть — значит смыть и убрать растворённое, а не разогнать его по поверхности.

⚠️ Не смешивать лагеря. Паяли безотмывочным, потом «на всякий случай» прошлись спиртом по одному углу — получили тот самый размазанный слой. Либо плата живёт с нетронутыми остатками no-clean, либо отмывается целиком и насухо.

207.6 Микроскоп, лупа и пинцеты

Для SMD руками оптика важнее третьей руки, и список короче, чем кажется:

Паять «вслепую» и проверять лупой — нормальный режим для 0603 и LQFP-48; микроскоп становится обязательным там, где перестаёт хватать глаза, — на шаге 0,4 мм и корпусах 0402/0201. Стереомикроскопу хватает малых кратностей: на ×10 видно смачивание галтели, а рабочее расстояние в десяток сантиметров оставляет место рукам и жалу.

Пинцеты: прямой и изогнутый с тонкими губками, нержавеющие и немагнитные — намагниченный подхватывает соседнюю мелочь гроздьями. Брать компонент за бока корпуса, не за выводы: у чип-компонентов выводы — это металлизация на торцах керамики, и сколотая губками металлизация превращается в непропай, который не лечится припоем. Для микросхем из пеналов и лент металлический пинцет — это ещё и заземлённый (через руку в браслете) путь разряда CDM: 500 В паспортного предела набегают на корпусе легко, поэтому тянуть микросхему из ленты голым пинцетом без браслета — худшая комбинация на столе.

207.7 Влага и MSL: сушка корпусов перед пайкой

Пластиковый корпус микросхемы гигроскопичен: он набирает влагу из воздуха, и уровень чувствительности к ней указан производителем как MSL (термин — во врезке 199; там же — правило присылать заводу микросхемы в невскрытой сухой упаковке). На собственном столе правило то же самое, только следить за ним некому, кроме вас.

Физика отказа — «попкорн»: при пайке впитанная вода вскипает внутри корпуса, а давление насыщенного пара растёт с температурой круто — при 217 °C бессвинцовой пайки это уже около 2,2 МПа, двадцать с лишним атмосфер, при 250 °C фена — под 4 МПа (calc207.py). Пар распирает корпус изнутри: расслоение, трещина, отрыв сварных соединений кристалла — иногда со слышимым щелчком, чаще молча, с той же латентной судьбой, что и у статики.

Практика стола:

• вскрытый пакет с микросхемами живёт ограниченный срок — часы и дни в зависимости от уровня MSL и влажности; конкретный срок напечатан на этикетке сухой упаковки;
• просроченный корпус перед пайкой сушат: типовой режим с той же этикетки — порядка суток при 125 °C, для термостойкой тары;
• хранить россыпь лучше в банке с силикагелем или сухом шкафу, чем в ящике стола;
• ручная пайка паяльником греет вывод, а не корпус, — риск «попкорна» минимален; фен и любая пайка оплавлением греют корпус целиком — для них MSL действует в полный рост.

207.8 Грабли

Плата прошла все проверки и умерла у заказчика через месяц. Статика: частично пробитый окисел работает, пока не доломается. Осмотр и тестер латентное повреждение не видят — спасает только процедура: браслет, коврик, заземлённое жало, рассеивающая тара (207.1–207.2).

Браслет надет — микросхемы всё равно мрут. Браслет поверх рукава, оборванный шнур или высохший пробитый резистор. Проверка омметром — минута: кнопка—«крокодил» около 1 МОм. И браслет не спасает от разряда заряженного корпуса: микросхема, наэлектризованная о пенал, разрядится о заземлённый пинцет — предел этой модели всего 500 В.

Бессвинцовая пайка «не берётся» на привычных настройках. Точка плавления на 34 °C выше эвтектики: 217–219 °C против 183 °C. Жало 330–350 °C, больше флюса, жало толще — а не «подержать подольше»: длинный прогрев уже съедает флюс и греет корпус.

На массивном полигоне пайка холодная при честных 300 °C на индикаторе. Индикатор меряет жало, а не площадку: полигон уносит тепло быстрее, чем тонкое жало подводит. Жало потолще, термобарьеры в разводке — не ручка температуры на максимум.

После фена вокруг места ремонта не хватает мелочи. Поток сдул: 0603 весит 2,2 мг, 0201 — 0,16 мг. Узкая насадка, минимальный поток, соседей прикрыть; после любого фена — осмотр окрестности по 200.1.

АЦП «уплыл» после ремонта, схема исправна. Плёнка флюса в мегаомной цепи: 100 МОм параллельно плечу делителя 10 МОм — минус 89 отсчётов, во влажный день — сотни (207.5). Отмыть целиком и высушить; половинчатая протирка спиртом размазывает остатки и делает хуже.

Микросхема щёлкнула при пайке феном. «Попкорн»: влага в корпусе из вскрытого месяц назад пакета, пар под 2–4 МПа. Просроченные по MSL корпуса — сушить около суток при 125 °C до пайки (207.7).

207.9 Итоги

• Паспортная стойкость выводов к разряду у F103 и F407 одинакова: 2000 В по модели человеческого тела (класс 2) и 500 В по модели заряженного корпуса (класс II) — из таблиц ESD даташитов.
• Опасная зона невидима: разряд ощущается примерно с 3 кВ, а паспорт кончается на 2 кВ; человек на 8 кВ несёт 4,8 мДж — в 24 раза больше энергии паспортной модели HBM (100 пФ через 1,5 кОм: 1,3 А, 0,2 мДж).
• Заземление стола — всё в одну точку через 1 МОм: браслет и коврик стекают миллиамперами (8 кВ → не более 8 мА, ~150 мкс), а при касании 230 В тот же резистор ограничит ток до 0,23 мА; жало — напрямую, единицы ом. Проверка каждого пути — омметром.
• Припой: эвтектика 63/37 — 183 °C (ниже обоих чистых металлов), бессвинцовый 96,5/3/0,5 — 217–219 °C; жало на 100–130 °C выше точки плавления: ~300 °C и 330–350 °C. Фен сдувает 0603 (2,2 мг) и греет соседей — узкая насадка и минимум потока.
• LQFP-48 паяется прихваткой двух углов и волочением с флюс-гелем, перемычки снимает оплётка; «надгробия» мелочи — от плавления одного торца.
• Остатки флюса — резистор: плёнка 100 МОм в делителе 10 + 10 МОм смещает 12-битный АЦП на 89 отсчётов, влажная (10 МОм) — на 621; мегаомные цепи, кварцы и охранные кольца — отмывать целиком и насухо.
• Влага в корпусе при пайке — пар 2,2 МПа при 217 °C и ~4 МПа при 250 °C: вскрытые сверх срока MSL корпуса сушить (типово — сутки при 125 °C), особенно перед феном.

Дальше: раздел 208 «Прибор от сети 230 В: безопасность и питание».