Разработка технологической схемы сборки электронного блока. Сборка и герметизация микросхем и полупроводниковых приборов
БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Кафедра электронной техники и технологии
РЕФЕРАТ
на тему:
«Подготовка к разработке техпроцесса сборки электронно-оптических систем»
МИНСК, 2008
Перед разработкой техпроцесса сборки необходим анализ технических условий (ТУ) на прибор, входящих в комплект документации на прибор вместе с альбомом чертежей, техническим описанием и паспортом. Анализ ТУ является первым этапом технологической подготовки производства прибора. ТУ показывают, в каких условиях должен работать прибор, какие основные характеристики он должен иметь и какова методика проверки соответствия основных характеристик прибора требованиям ТУ.
В ТУ могут входить директивные рекомендации по методам и средствам регулирования выходных параметров прибора, а также указание: изменением каких характеристик и каких элементов целесообразно регулировать те или иные параметры прибора.
ТУ имеет следующие типовые разделы:
- определение и назначение;
- комплектность и связь с чертежами;
- технические требования;
- маркировка и клеймение;
- порядок предъявления и приемки;
- приемо-сдаточные испытания;
- периодические контрольные испытания;
- упаковка, маркировка упаковки, хранение на складах и транспортировка;
- приложение.
В разделе “Определение и назначение” указывается, на какие приборы распространяется ТУ и в какие САУ эти приборы входят.
В разделе “Технические требования” причисляются основные технические требования, предъявляемые к прибору.
В разделе “Приемо-сдаточные испытания” указываются последовательность, объем и методика приемо-сдаточных испытаний прибора.
Для проверки соответствия выпускаемых приборов всем требованиям раздела “Технические требования” приводят контрольные испытания небольшой партии приборов.
В разделе “Контрольные испытания” приводятся данные по периодичности, последовательности, по объему и методикам контрольных испытаний в соответствии с отдельными требованиями.
Раздел “Технические требования” содержит как общие для всех приборов или блоков требования, так и специфические, свойственные только для данного типа прибора или блока. К общим требованиям относятся:
- соответствие конструкции чертежам;
- внешний вид;
- покупные изделия и материалы;
- характеристики электропитания;
- температурный интервал работы;
- электрическое сопротивление изоляции;
- омическое сопротивление изоляции;
- виброустойчивость;
- устойчивость к воздействию линейных ускорений;
- устойчивость к воздействию ударных нагрузок;
- гарантийный срок службы.
Одними из основных специфических требований, присущих только данному типу прибора, являются его нормируемые согласно ГОСТ 8.009 метрологические характеристики.
Соответствие прибора техническим требованиям устанавливается в ходе приемо-сдаточных испытаний. Соответствие некоторым требованиям можно установить только в результате контрольных периодических испытаний, включающих и испытание на отработку гарантийного срока службы. Поэтому такому испытанию подвергаются небольшие партии приборов.
Определение показателей технологичности конструкции приборов
Технологичным является такое изделие, которое при условии выполнения технических требований более удобно в эксплуатации и позволяет при данной серийности производства изготовить его с минимальными затратами труда, материалов и с наименьшим производственным циклом.
Исходя из этого положения, строится методика определения показателей технологичности конструкции приборов. Основная идея методики заключается в том, что технологичная конструкция изделия обеспечивает наибольшую производительность труда , снижение затрат и сокращение времени на проектирование, технологическую подготовку производства, изготовление, техническое обслуживание и ремонт изделия при обеспечении необходимого его качества.
Показатели технологичности используются для:
а) количественной оценки технологичности конструкции прибора перед передачей его в серийное производство;
б) указания конструкторам требований по технологичности при выдаче задания на проектирование нового прибора.
Система показателей содержит:
а) базовые частные коэффициенты, к которым относятся коэффициенты освоенности К осв, унификации деталей К у.д. и унификации материалов К у.м. ;
б) комплексный коэффициент технологичности К тех.
Выражения для определения значений всех частных показателей технологичности должны для “идеального” прибора стремиться к 1; фактические значения частных показателей технологичности К должны находиться в пределах
0
Таблица 1
| Общее кол-во деталей (без крепежных) | В том числе | Кол-во крепежных деталей |
|||
| собственные | заимствованные | стандартные | покупные |
||
| | | | | | |
| | | | | | |
Например: пластина статора электродвигателя – одно наименование (n=1), а общее количество пластин статора в электродвигателе равно 25 (N=25).
Коэффициенты освоенности прибора и унификации его деталей определяются по формулам:
;
;
где N СТ, N ЗМ, N п, N Σ – соответственно число стандартных , заимствованных, покупных и общее число деталей в приборе; n Σ , n кр – число наименований деталей и число наименований крепежных деталей в приборе.
Примечания:
1. К стандартным относятся детали, охваченные ГОСТом и ОСТом, отраслевой нормалью.
2. К заимствованным относятся детали, взятые из других аналогичных разработок, и детали, изготовленные по стандартам предприятий (СТП).
3. К собственным относятся детали, которые применяются только в данном приборе и на которые разработаны чертежи в проекте на прибор.
4. Сборочные единицы, полученные литьем или прессованием из пластмасс, принимаются за одну деталь.
5. К крепежным деталям относятся гайки, винты, болты, шпильки, заклепки и т.п., а также монтажные провода, товарные знаки , изоляционные прокладки и т.п.
Коэффициент унификации материалов K у.м. определяется только для собственных деталей прибора по формуле
,
где - количество сорторазмеров материалов для изготовления собственных деталей прибора; - общее число наименований собственных деталей прибора.
Сорторазмер обусловлен маркой материала и определяющим размеров. Для определения составляется в табл. 2.
Таблица 2
| Кол-во | Металлы | Пластмассы | Керамика | Сумма |
||
| черные | цветные | драгоценные |
||||
| Сорторазмеров материалов | Сч | Сц | Сд | Сn | СК | СΣ |
| Собственных деталей | nч | nц | nд | nn | nK | nΣ |
Для установления контрольных значений комплексного коэффициента технологичности и его составляющих базовых частных коэффициентов технологичности, приемлемых для изделий серийного производства, в табл. 3 приводятся допустимые наименьшие значения этих показателей, составленные на основе обобщения статистических данных анализа технологичности конструкции электромеханических приборов и функциональных приборов и функциональных элементов.
Таблица 3
| Ктехн | Косв | Ку.д. | Ку.м. |
| 0,45 | 0,70 | 0,80 | 0,80 |
Построение технологических схем сборки.
4.1. Сборка изделия – дискретный во времени процесс , который состоит из отдельных переходов. Переход – наименьшая законченная часть технологического процесса , выполняемая без перерыва во времени. Упорядоченный набор переходов образует сборочную операцию.
4.2. Первым этапом разработки маршрутного технологического процесса сборки является построение технологической схемы сборки.
Процесс сборки сложного изделия состоит из операций, выполняемых не только последовательно, но и параллельно, а иногда и с циклами. Технологическая схема сборки является графической интерпретацией такого процесса. Наиболее ясно и полно отражают технологический процесс сборки схемы с базовой деталью. При построении технологической схемы сборки используются условные обозначения, представленные в табл. 4.
Таблица 4
| Обозначение | Элемент |
|||||
| | Материал |
|||||
| | Деталь |
|||||
| Сборочная единица |
|||||
| SHAPE \* MERGEFORMAT | Сборочная операция |
|||||
| SHAPE \* MERGEFORMAT | Регулировочная операция |
|||||
| SHAPE \* MERGEFORMAT | Юстировочная операция |
|||||
| | Покупной элемент |
|||||
| | Сборочное или КЮ приспособление |
|||||
| | Выделенный при частичной разборке или сборке элемент |
|||||
| SHAPE \* MERGEFORMAT | Линия направления сборки |
|||||
| SHAPE \* MERGEFORMAT | Сборочная операция |
Рис.1. Один из вариантов технологической схемы сборки.
Правила построения технологических схем сборки
1. На основном изображении элемента в нижней половине указывается номер позиции по чертежу; в верхней половине – количество одинаковых элементов. На условном изображении материала указывается марка материала. Покупные элементы штрихуются в верхней половине.
2. Технологическая схема сборки начинается с изображения базовой детали или базовой сборочной единицы, выполняющей в данной конструкции роль корпуса или основания, а заканчивается изображением собранного изделия.
3. Сборочные единицы или детали, собираемые одновременно, присоединяются к линиям сборки в данной точке.
4. Несколько деталей или сборочных единиц, устанавливаемых после их предварительной сборки, но без образования сборочной единицы, присоединяются к дополнительной линии сборки в последовательности их соединения; дополнительная линия сборки подводится к основной в точке операции, на которой формируется сборочная единица с другими элементами изделия.
5. Сборочная единица, формируемая параллельно с основным изделием, строится на дополнительной линии сборки; а дополнительная линия сборки подводится к основной в точке сборки этой сборочной единицы с основным изделием.
6. Стрелка показывает направление сборки. При частичной разборке стрелка направлена от операции к элементу.
7. Знаки контрольных и регулировочных операций подводятся к линии сборки непосредственно после той сборочной единицы, относительно которой они производятся.
8. Определяющий диаметр знака – 10 мм. На рисунке показан пример технологической схемы сборки.
Разработка технологического процесса сборки
Для разработки технологических процессов сборки необходимо иметь исходную информацию, которая, согласно ГОСТ 14.303-73 подразделяется на:
- базовую;
- руководящую;
- справочную.
Базовая информация включает данные, содержащиеся в конструкторской документации на изделие, и программу выпуска этого изделия.
Руководящая информация включает данные, содержащиеся в:
- стандартах всех уровней на технологические процессы и методы управления ими, оборудование и оснастку;
- документации на типовые и перспективные технологические процессы;
- производственных инструкциях.
Справочная информация включает данные, содержащиеся в каталогах и типажах прогрессивного оборудования, в справочниках , отчетах по НИР и ОКР и т.д.
Разработка технологического процесса начинается с составления технологического маршрута, который основывается на технологической схеме сборки и предусматривает определение, содержание операций и применяемого технологического оборудования.
Разработка операционного технологического процесса сборки включает комплекс взаимосвязанных работ
- определение содержания и последовательности операций;
- определение, выбор и заказ новых средств технологического оснащения (в том числе средств контроля и испытания);
- нормирование процесса;
- определение организационных форм реализации технологического процесса;
- оформление рабочей документации на технологические процессы.
Информационной основой при разработке технологических процессов являются типовые технологические процессы сборки конструктивно-технологических родственных изделий.
Проектирование технологического оснащения и специализированного оборудования
Автоматические системы и измерительные комплексы, используемые для целей навигации, стабилизации и других видов управления, состоят из различных деталей, механических, магнитных и иных устройств, электрических элементов, индуктивных элементов, сложных электронных функциональных устройств, созданных на базе микроэлектроники.
Многообразие этих деталей и сборочных единиц, высокие требования к точности, ресурсу и времени готовности изделий, постоянно растущие требования к производительности и качеству изделий требуют оснащения цехов приборостроительных предприятий специальным высокоточным оборудованием и оснасткой.
Часть этого оборудования и оснастки производится машино- и станкостроительными предприятиями, другая часть (специализированная) проектируется и производится на предприятиях приборостроительных отраслей.
Все оборудование, используемое при сборке, регулировке и испытаниях , можно разбить на следующие группы.
I. Группа оборудования общего назначения: вибрационные стенды, ударные установки, центрифуги, термобарокамеры, стенды транспортных нагрузок, камеры пыли, солнечной радиации, морского тумана, гигростаты, оборудование для проверки электрических параметров элементов (сопротивление изоляции, электрической прочности, емкости и т.д.), оборудование для проверки частотных характеристик изделия (анализатора спектра частот), универсальное оборудование для контроля линейных и угловых величин, сборочные прессы.
II. Группа оборудования, используемая непосредственно в сборочном процессе : вакуум-пропиточные установки, установки терморадиационной сушки, установки для промывки деталей перед сборкой, установки для комплектации опор перед сборкой (установки для проверки момента трения, жесткости элементов, контактного угла или частотных характеристик опор, тепловых характеристик опор), установки для статической и динамической балансировки, установки для статической и динамической балансировки, установки для заполнения приборов жидкостями и газами, установки для намотки элементов с обмотками общего назначения, установки для прошивки элементов запоминающих устройств, установки для формовки выводов электроэлементов, установки для укладки электроэлементов на негативные платы, установки для автомавтической пайки электроэлементов и контроля режимов пайки, вакуумные установки для дегазации элементов в процессе сборки, установки для размагничивания элементов, установки для контроля параметров зубчатых колес при сборке, установки для сварки, установки для размагничивания деталей и т.п.
III. Группа контрольно-испытательного оборудования: полуавтоматические и автоматические установки для контроля коммутации электрических и электронных элементов изделия, установки для регулировки, градуировки и поверки электроизмерительных приборов, установки и стенды для регулировки, испытаний, снятия статических и динамических характеристик электрических и электронных функциональных элементов изделий, установки для регулировки и испытаний гидро- и пневмоустройств изделий, установки для проверки потерь на трение в редукторах, установки для контроля кинематической точности редукторов, стенды и установки испытаний и регулировки приборов навигации и стабилизации.
Выбор средств технологического оснащения производится в соответствии с требованиями ГОСТ 14.301 и с учетом:
- типа производства и его организационной структуры;
- вида изделия и программы выпуска;
- характера намеченной технологии;
- максимального использования имеющейся стандартной оснастки и оборудования.
Специальные средства технологической оснастки проектируют на основе использования стандартных деталей и сборочных единиц.
Средства испытаний должны иметь устройства, воспроизводящие различные воздействия на испытуемые изделия, и устройства, измеряющие параметры испытуемого изделия. Точностные характеристики указанных двух групп устройств средств испытания должны быть указаны между собой.
Технологический процесс изготовления разработанного устройства
представляет собой комплекс действий исполнителей оборудования по преобразованию исходных материалов и комплектующих элементов в готовое
изделие. При разработке ТП ставится задача нахождения такого варианта,
который бы обеспечил наиболее экономичное решение. В соответствии ЕСТПП следует, в первую очередь, использовать типовые технологические маршруты, процессы и операции. Не рекомендуется предусматривать обработку на уникальных дорогостоящих станках за исключением тех случаев, когда это технологически и экономически оправдано. Необходимо использовать только стандартный режущий и измерительный инструмент. Следует применять наиболее совершенные формы организации производства: непрерывные и групповые поточные линии, групповые технологические процессы
групповые наладки. Разработка рабочего техпроцесса должна выполняться на базе типового.
Типовой техпроцесс сборки печатных плат состоит из следующих операций:
1. Комплектовочная операция.
2. Входной контроль микросхем и ЭРЭ.
3. Входной контроль ПП.
4. Формовка и обрезка выводов ЭРЭ.
5. Лужение выводов ИМС и ЭРЭ.
6. Подготовка ПП к монтажу.
7. Установка элементов на ПП.
8. Флюсование.
10. Удаление флюса.
11. Контроль качества пайки.
12. Защита от влаги.
Рассмотрим технологический процесс более подробно.
Согласно комплектовочной карте необходимо произвести комплектацию, то есть получить со склада все необходимые изделия: ПП, микросхемы, конденсаторы, разъемы и так далее. В технологическую карту записать дату выдачи ЭРЭ, ИМС, платы со склада. Комплектующие изделия разложить в соответствующую тару.
Входной контроль заключается в тщательной проверке ЭРЭ, ИМС и платы. На поверхности элементов не должно быть трещин, вмятин, сколов и других повреждений. Необходимо проверить наличие товарного знака, знака завода-изготовителя, ключа для определения первого вывода ИМС.
П
роизводится
сквозная проверка работоспособности
ИМС на контрольно-проверочном стенде,
так как отказ любой ИМС приводит к отказу
всей системы.
Проверка работоспособности ЭРЭ производится выборочно. Пониженное качество отдельных деталей не исключается, исходя из следующих соображений: 1. Недостаточный выходной контроль; 2. Длительное хранение готовых изделий на складе.Возможность повреждений при транспортировке.
Производится промывка ПП в ванне со спиртобензиновой смесью. Производится тщательный осмотр внешнего вида ПП с помощью увеличительной лупы. Диэлектрическое основание платы должно быть монолитным, однородным„без вздутий, расслоений, царапин и "посторонних" включений. Цвет диэлектрика должен быть однотонный, без резких границ, выделяющих какие либо области поверхности платы. Слой металлизации должен быть ровным, плотным, без сквозных протравов, трещин, неровностей: краев, уменьшающих их минимально допустимую ширину. Сквозные металлизированные отверстия должны быть чистыми и свободными от включений любого рода.
Основным способом формовки выводов является гибка. В случаях ее механизации рабочая часть инструмента - пуансона, матрицы, штампа, как правило, соответствует форме выводов. При проектировании ПП учтены размеры ИМС, разъема и расстояния между ножками элементов. Поэтому штыревые выводы используемых микросхем и разъема не формуются. Формовка же выводов конденсаторов необходима, так как расположение выводов не соответствует расположению отверстий на ПП.
Качество выполнения паяного соединения во многом зависит от тщательности подготовки соединяемых поверхностей. Для получения прочного соединения необходима хорошая смачиваемость поверхностей флюсами и припоями, которая зависит как от свойств материалов, так и от формы шероховатости поверхностей, наличия на соединяемых поверхностях органических загрязнений, ржавчины, оксидных и жировых пленок.
П
одготовка
паяемых поверхностей осуществляется
двумя способами: механическим и
химическим. Механическая обработка
заключается в удалении поверхностного
слоя металла, шлифовании поверхности
абразивными пастами. Однако, это не
исключает повреждения поверхностей.
При химическом способе паяемые поверхности
обрабатываются растворителями типа
спиртобензиновых и спиртофреоновых
смесей. При этом образуется поверхность
без оксидных и жировых пленок.
Воспользуемся химическим способом, как более удовлетворяющим нашему техпроцессу. Наиболее эффективным здесь является окунание выводов ИМС, ЭРЭ и разъема, закрепленных в специальной таре, в ванну со спиртобензиновым раствором. Затем производится промывка выводов в теплой проточной воде.
Для обеспечения высокого качества пайки применяют предварительное облуживание выводов ИМС м ЭРЭ. Лужение заключается в покрытии соединяемых деталей тонкой пленкой припоя, которая должна быть сплошной, без трещин, пор, посторонних включений, наплывов и острых выступов. Операция лужения с помощью ручного метода, то есть паяльником, малоэффективна из-за высокой трудоемкости и больших затрат времени. Поэтому наиболее эффективным является горячее лужение выводов ИМС, ЭРЭ и разъема в жидкий флюс ФКСП, а затем в ванну с расплавленным припоем ПОС - 61. При этом следует учесть, что время лужения ограничено (t < 3 сек).
Установка навесных элементов на ПП состоит из подачи их в зону установки, ориентации выводов относительно монтажных отверстий или контактных площадок и фиксации ЭРЭ и ИМС в требуемом положении. В зависимости от характера производства и конструктивных особенностей ПП установку производят вручную, механизированным или автомати-зированным способом. Автоматизированный метод применяется при сборке больших партий изделий, при этом, число устанавливаемых компонент составляет от 5 до 50 млн. штук в год. При объеме выпуска, требующем установки на платы 0,5...5 миллионов элементов/год и плотности каждой до 500 элементов, применяют оборудование с пантографами, оснащенное механизированными укладочными головками.
П
рименение
ручной сборки экономически выгодно при
производстве не более полутора сотен
плат в год. Существенным достоинством
ручной сборки является возможность
постоянного визуального контроля, что
позволяет использовать относительно
большие допуски на размеры выводов,
контактных площадок и монтажных
отверстий, делает возможным обнаружение
дефектов ПП и компонентов. В данном
случае установка ИС и ЭРЭ производится
на плате рядами, но ориентация ИМС в
разных рядах осуществляется неодинаково
из-за различия в размерах устанавливаемых
ИМС и ЭРЭ, их большого числа. Из сказанного
можно сделать вывод, что использование
механизированных и автоматизированных
линий не является оправданным.
Элементы устанавливаются на ПП согласно чертежа в следующей последовательности: ИМС, резисторы, диоды, транзисторы, конденсаторы, разъем. После установки выводы подгибаются с противоположной стороны, фиксируя тем самым элементы. При установке ИМС должен быть предусмотрен отвод статического электричества от монтажника с помощью заземленного браслета.
Механизм действия флюса заключается в том, что оксидные пленки металла и припоя растворяются, разрыхляются и всплывают на поверхность флюса. Флюсы служат для уменьшения сил поверхностного натяжения расплавленного припоя на границе металл-припой-флюс. Правильный выбор флюса обеспечивает качественное соединение и существенно влияет на скорость и степень завершенности процесса пайки. Выбранный флюс должен быть химически активным и растворять оксиды паяемых металлов, термически стабилен и выдерживать температуру пайки без испарения или разложения.
Ф
люсование
можно производить различными методами:
кистью, погружением, протягиванием,
накатыванием, распылением, вращающимися
щетками. В среднесерийном производстве
используется пенное или волновое
флюсование. Широкое применение при
осуществлении монтажных соединений
получили бескислотные флюсы. Флюсы на
основе канифоли не оказывают коррозийного
действия.
Процесс пайки контактных соединений включает в себя:
фиксацию соединяемых элементов с предварительно подготовленными поверхностями для пайки;
нагрев поверхностей пайки до заданной температуры в течение ограниченного времени;
введение в зону флюса припоя в необходимых и достаточных для пайки дозах;
плавление припоя с максимальным смачиванием им поверхности пайки;
остывание припоя в условиях, исключающих взаимное перемещение паяемых деталей.
Наилучшее качество пайки обеспечивает эвтектический припой. Важное его свойство – узкий температурный интервал кристаллизации. При наличии широкого интервала кристаллизации необходимо поддерживать неизменным положением паяемых поверхностей при охлаждении припоя.
После пайки необходимо тщательно очистить узлы и паяные соединения от загрязнений, способных привести к коррозии и снижению сопротивления изоляции диэлектрических материалов. Выбор способа очистки зависит от степени и характера загрязнения. Среду для отмывки выбирают в зависимости от применяемых флюсов. При малых объемах производства узлы ЭВА последовательно промывают в нескольких ваннах со специальными виброустановками частотой 50 Гц и амплитудой 1-2 мм. В нашем случае эффективно использовать последовательное погружение в ванну со спиртобензиновой смесью, затем в ванну с горячей и холодной водой. Продолжительность выдержки в каждой ванне составляет около 1 минуты.
П
роизводится
визуальный контроль качества пайки.
Паяная поверхность должна быть блестящей,
ровной, без вздутий, раковин и острых
выступов припоя. Не должно быть наплывов
олова с одного проводника на другой.
Дефекты устраняются с помощью паяльника
и флюса ФКСп путем нанесения небольшого
количества флюса на место дефекта и
снятия избытка олова паяльником. Осмотр
проводится с помощью увеличительного
стекла. Испытание на вибропрочность
подвергается 2% плат из каждой партии,
но не менее 3 штук. Соединения выводов
навесных деталей в отверстиях платы
должны выдержать усилия до 0.5 кг.
Основными электроизоляционными материалами являются пропиточные лаки, компаунды, покровные лаки и эмали. Эмали и покровные лаки используют для обволакивания. Они состоят из основы и растворителя, должны быстро сохнуть и образовывать блестящую пленку, хорошо сцепляющуюся с покрываемой поверхностью.
Для устранения климатических воздействий и повышения коррозийной стойкости блок равномерно покрывают тонким слоем лака. Для этого его опускают в ванну с лаком УР 231, затем вынимают и высушивают горячим воздухом при t=40 – 60 0 С. После этого блок ставится в тару, упаковывается и отправляется заказчику.
Технология монтажа на поверхность не нова, но в отечественной литературе она, к сожалению, освещена недостаточно полно. Предлагаемый ряд статей, посвященный этой тематике, поможет читателям более глубоко разобраться в особенностях технологий монтажа электронных модулей. В данной статье описан ряд конструкций типичных электронных модулей и особенности технологического процесса сборки каждого их типа.
Современные электронные компоненты
Тип монтажа модулей определяется в первую очередь количеством сторон, на которые осуществляется монтаж (одно- или двусторонний), и номенклатурой используемых компонентов. Поэтому описание типов монтажа логично предварить кратким обзором компонентов и корпусов. Основным, наиболее важным для технолога критерием разделения электронных компонентов на группы является метод их монтирования на плату - в отверстия или на поверхность. Именно он в основном и определяет технологические процессы, которые необходимо использовать при монтаже.
В таблице приведена информация по наиболее распространенным корпусам компонентов: названия, изображения, габариты, шаг выводов. Все размеры, за исключением особо оговоренных, приведены в милах (1 mil = 0,0254 мм).
| Рис. 1. ТНТ-компоненты |
 |
| Рис. 2. SMD-компоненты |
Таблица
| Компоненты, монтируемые в отверстия | ||||
| Группа | Типы корпусов в группе | Габариты корпусов | Шаг выводов | Рис. |
| С одним рядом выводов - SIL | TO-92TO-202, TO-220 и др. | 380x190, 1120x135,420x185… | 100 мил | Рис. 1, а |
| С двумя рядами выводов - DIL | MDIP, CerDIP | 250x381…577x2050 | 100 мил | Рис. 1, б |
| С радиальными выводами | TO-3, TO-5, TO-18 | - | - | Рис. 1, в |
| С осевыми выводами | - | - | Рис. 1, г | |
| Решетки - Grid | CPGA, PPGA | 286x286…2180x2180 мил | 20…100 мил | Рис. 1, д |
| Компоненты, монтируемые на поверхность | ||||
| С двумя рядами выводов - DIL | «SOT-23, SSOP, TSOP, SOIC» | 55x120…724x315 мил | 25…30 мил | Рис. 2, а-б |
| С выводами по сторонам квадратного корпуса - Quad Package | LCC, CQJB, CQFP, CerQuad, PLCC, PQFP | 350х350 мил …20x20 мм | 50 мил…0,5 мм | Рис. 2, в |
| Решетки - Grid | BGA, uBGA | - | 0,75 мм (uBGA) | Рис. 3, а-б |
Наиболее интересны с практической точки зрения, по мнению автора, корпуса BGA, а точнее mBGA, которые имеют 672 вывода с шагом 0,75 мм. Верхняя часть корпуса BGA не представляет особого интереса, более примечательными являются его нижняя часть и внутреннее устройство этой упаковки компонентов. На рис. 3, а изображена нижняя поверхность корпуса BGA, на которой видны шариковые выводы, а на рис. 3, б - вид этого корпуса в разрезе.
Рис. 3. Корпус BGA
Приведенный выше краткий обзор современных компонентов дает представление о том, насколько велико число возможных вариантов реализации монтажа модулей при различном расположении их на плате. Кроме того, в обзоре не была представлена еще одна группа - группа нестандартных компонентов (odd form components).
Виды монтажа можно разделять по различным параметрам: по количеству используемых для монтажа сторон платы (одно- или двусторонний), по типам используемых компонентов (поверхностный, выводной или смешанный), по их расположению на двустороннем модуле (смешанно-разнесенный или смешанный). Рассмотрим наиболее распространенные из них, а также последовательность технологических операций для каждого вида монтажа.
Виды монтажа
Поверхностный монтаж
Поверхностный монтаж на плате может быть односторонним и двусторонним. Число технологических операций при этом виде монтажа минимально.
При одностороннем монтаже (рис. 4, а) на диэлектрическое основание платы наносят припойную пасту методом трафаретной печати. Количество припоя, наносимое на плату, должно обеспечивать требуемые электрофизические характеристики коммутируемых элементов, что требует соответствующего контроля. После позиционирования и фиксации компонентов выполняют операцию пайки путем оплавления дозированного припоя. В завершение технологического цикла производится контроль паяных соединений, а также функциональный и внутрисхемный контроль. На рис. 4, а изображены поверхностно-монтируемые компоненты различных видов: относительно сложно монтируемые компоненты в корпусах PLCC и SOIC и легко монтируемые чип-компоненты.
Рис. 4. а,б
Для двустороннего поверхностного монтажа (рис. 4, б) возможны различные варианты реализации. Один из них предполагает начало технологического процесса с операции нанесения паяльной пасты на нижнюю сторону платы. Затем в местах установки компонентов наносят расчетную дозу клея и производят установку компонентов. После этого в печи клей полимеризуется и происходит оплавление пасты припоя. Плата переворачивается, наносится паста припоя и устанавливаются компоненты на верхнюю сторону платы, после чего верхняя сторона оплавляется. В этом случае для пайки компонентов используются печи с односторонним нагревом.
При другом варианте реализации двустороннего поверхностного монтажа используются печи с двусторонним нагревом.
Интересен вопрос о необходимости нанесения клея на плату. Эту операцию выполняют с целью предотвращения отделения компонентов от платы при ее переворачивании. Существующие расчеты показывают, что большинство компонентов не упадут с платы даже при ее переворачивании, поскольку будут держаться за счет сил поверхностного натяжения припойной пасты. По этой причине операцию нанесения клея нельзя отнести к обязательным.
Смешанно-разнесенный монтаж
При смешанно-разнесенном монтаже компоненты, устанавливаемые в отверстия (THT-компоненты), располагаются на верхней стороне платы, а компоненты для поверхностного монтажа - на нижней. В этом случае обязательной является операция пайки двойной волной припоя. Смешанно-разнесенный монтаж компонентов показан на рис. 5.
Рис. 5. Смешанно-разнесенный монтаж
Реализация такого вида монтажа предполагает следующую последовательность операций: на поверхность платы наносится дозатором клей, на который устанавливаются SMD-компоненты, клей полимеризуется в печи, после чего производится установка компонентов в отверстия, промывка модуля и выполняются операции контроля.
Возможен альтернативный вариант, при котором сборку начинают с установки компонентов в отверстия платы, после чего размещают поверхностно-монтируемые компоненты. Он применяется тогда, когда формовка и вырубка выводов обычных компонентов осуществляется при помощи специальных приспособлений заранее, иначе компоненты, монтируемые на поверхность, будут затруднять обрезку выводов, проходящих через отверстия платы. Компоненты для поверхностного монтажа при повышенной плотности их размещения целесообразно монтировать в первую очередь, что требует минимального количества переворотов платы в процессе изготовления изделия.
Смешанный монтаж
Примером смешанного монтажа является установка на верхней стороне платы и SMD-, и ТНТ-компонентов (монтируемых в отверстия), а на нижней стороне - только SMD-компонентов. Это самая сложная разновидность монтажа (рис. 6).
Рис. 6. Смешанный монтаж
Возможны различные варианты ее реализации. При одном из них сначала на нижнюю сторону печатной платы методом дозирования наносят клей, а на нанесенный клей устанавливают SMD-компоненты. После проведения контроля установки компонентов проводят отвердение клея в печи. На верхнюю сторону платы наносится паяльная паста, а на нее затем устанавливаются SMD-компоненты. Нанесение паяльной пасты возможно как методом трафаретной печати, так и методом дозирования. В последнем случае операции нанесения клея и паяльной пасты можно проводить на одном оборудовании, что сокращает затраты. Однако нанесение паяльных паст методом дозирования непригодно при промышленном производстве из-за низкой скорости и стабильности процесса по сравнению с трафаретной печатью и оправдано только в условиях отсутствия трафарета на изделие или нецелесообразности его изготовления. Такая ситуация может сложиться, например, при опытном производстве большой номенклатуры электронных модулей, когда из-за большого числа обрабатываемых конструктивов и малых серий затраты на изготовление трафаретов значительны.
После установки SMD-компонентов на верхнюю сторону платы производится их групповая пайка методом оплавления припойной пасты, нанесенной на трафаретном принтере, или методом дозирования. После этой операции технологический цикл, связанный с установкой поверхностно монтируемых компонентов, считается завершенным.
Далее, после ручной установки компонентов в отверстия платы производится совместная пайка всех SMD-компонентов, ранее удерживавшихся на нижней стороне платы при помощи отвержденного адгезива и уже установленных выводных компонентов.
В конце технологического цикла выполняют операции визуальной инспекции пайки и контроля.
При другом варианте реализации смешанного монтажа предполагается иная последовательность выполнения операций. Первым этапом является нанесение припойной пасты через трафарет, установка на верхней стороне платы сложных компонентов для поверхностного монтажа (SO, PLCC, BGA) и пайка расплавлением дозированного припоя. Затем, после установки компонентов в отверстия платы (с соответствующей обрезкой и фиксацией выводов), плата переворачивается, на нее наносится адгезив и устанавливаются компоненты простых форм для поверхностного монтажа (чип-компоненты, компоненты в корпусе SOT). Они и выводы компонентов, установленных в отверстия, одновременно пропаиваются двойной волной припоя. Возможно также использование в составе одной линии оборудования, обеспечивающего эффективную пайку компонентов (с верхней стороны платы) расплавлением дозированного припоя и пайку (с нижней стороны платы) волной припоя.
Необходимо отметить, что в технологическом процессе, реализующем смешанный монтаж, возрастает количество контрольных операций из-за сложности сборки при наличии компонентов на обеих сторонах платы. Неизбежно возрастают также количество паяных соединений и трудность обеспечения их качества.
Односторонний выводной и поверхностный монтаж
Такая технология носит в мировой практике название технологии оплавления припойных паст (reflow) и является одной из стандартных в технологии монтажа на поверхность (рис. 7).
Рис. 7. Односторонний монтаж SMD и ТНТ
Сборка модулей такого типа осуществляется следующим образом: на поверхность платы наносится припойная паста, на которую устанавливают SMD-компоненты; затем паста оплавляется в печи, устанавливаются THT-компоненты, проводится пайка волной припоя, после чего осуществляют промывку и контроль собранного модуля.
Односторонний выводной монтаж
Технология сборки таких печатных плат (рис. 8) является стандартным сборочно-монтажным циклом с применением пайки волной припоя. Этот цикл состоит из операций установки выводных компонентов, их пайки на установке пайки волной и контрольных операций. Установка компонентов может быть как ручной, так и полуавтоматической. Выбор оборудования определяется требуемой производительностью. Автоматизация такого типа монтажа является минимальной, а сама реализация - предельно простой.
Рис. 8. Односсторонний монтаж ТНТ
Данная публикация является первой статьей из цикла, посвященного поверхностному монтажу. Логичным ее продолжением станет освещение вопроса состава производственной линии, на которой реализуется этот вид монтажа: необходимость каждого вида оборудования, его технические характеристики и роль в технологическом процессе, требуемый состав персонала и его квалификация, а также другие вопросы, возникающие при создании сборочно-монтажного производства.
Литература
- Schmits J., Heiser G., Kukovski J. Взгляд в будущее. Технологические тенденции развития электронных компонентов и сборки электронных модулей на печатных платах. Перевод и адаптация А. Калмыкова. Компоненты и технологии, № 4, 2001.
- www.pcbfab.ru.