Білоруський державний університет інформатики і радіоелектроніки
Кафедра електронної техніки і технології
РЕФЕРАТ
на тему:
«Підготовка до розробки техпроцесу збірки електронно-оптичних систем»
МІНСЬК, 2008
Перед розробкою техпроцесу збірки необхідний аналіз технічних умов (ТУ) на прилад, що входять в комплект документації на прилад разом з альбомом креслень, технічним описом і паспортом. Аналіз ТУ є першим етапом технологічної підготовки виробництва приладу. ТУ показують, в яких умовах має працювати прилад, які основні характеристики він повинен мати і яка методика перевірки відповідності основних характеристик приладу вимогам ТУ.
В ТУ можуть входити директивні рекомендації щодо методів і засобів регулювання вихідних параметрів приладу, а також вказівку: змінювати характеристик і яких елементів доцільно регулювати ті чи інші параметри приладу.
ТУ має такі типові розділи:
- визначення і призначення;
- комплектність і зв'язок з кресленнями;
- технічні вимоги;
- маркування і таврування;
- порядок пред'явлення і приймання;
- приймально-здавальні випробування;
- періодичні контрольні випробування;
- упаковка, маркування упаковки, зберігання на складах і транспортування;
- додаток.
У розділі "Визначення і призначення" вказується, на які прилади поширюється ТУ і в які САУ ці прилади входять.
У розділі "Технічні вимоги" зараховуються основні технічні вимоги, що пред'являються до приладу.
У розділі "Приймально-здавальні випробування" вказуються послідовність, обсяг і методика приймально-здавальних випробувань приладу.
Для перевірки відповідності приладів, що випускаються всім вимогам розділу "Технічні вимоги" наводять контрольні випробування невеликої партії приладів.
У розділі "Контрольні випробування" наводяться дані по періодичності, послідовності, за обсягом і методикам контрольних випробувань відповідно до окремих вимог.
Розділ "Технічні вимоги" містить як загальні для всіх приладів або блоків вимоги, так і специфічні, властиві тільки для даного типу приладу або блоку. До загальних вимог належать:
- відповідність конструкції кресленнями;
- зовнішній вигляд;
- покупні вироби і матеріали;
- характеристики електроживлення;
- температурний інтервал роботи;
- електричний опір ізоляції;
- омічний опір ізоляції;
- виброустойчивость;
- стійкість до впливу лінійних прискорень;
- стійкість до впливу ударних навантажень;
- гарантійний термін служби.
Одними з основних специфічних вимог, властивих тільки даному типу приладу, є його нормовані згідно ГОСТ 8.009 метрологічні характеристики.
Відповідність приладу технічним вимогам встановлюється в ході приймально-здавальних випробувань. Відповідність деяким вимогам можна встановити тільки в результаті контрольних періодичних випробувань, що включають і випробування на відпрацювання гарантійного терміну служби. Тому такого випробування піддаються невеликі партії приладів.
Визначення показників технологічності конструкції приладів
Технологичнимє такий виріб, яке за умови виконання технічних вимог більш зручно в експлуатації і дозволяє при даній серійності виробництва виготовити його з мінімальними витратами праці, матеріалів і з найменшим виробничим циклом.
Виходячи з цього положення, будується методика визначення показників технологічності конструкції приладів. Основна ідея методики полягає в тому, що технологічна конструкція виробу забезпечує найбільшу продуктивність праці, зниження витрат і скорочення часу на проектування, технологічну підготовку виробництва, виготовлення, технічне обслуговування та ремонт вироби при забезпеченні необхідного його якості.
Показники технологічності використовуються для:
а) кількісної оцінки технологічності конструкції приладу перед передачею його в серійне виробництво;
б) вказівки конструкторам вимог по технологічності при видачі завдання на проектування нового приладу.
Система показників містить:
а) базові приватні коефіцієнти, до яких відносяться коефіцієнти освоєності До осв, уніфікації деталей До У.Д. і уніфікації матеріалів До р.м. ;
б) комплексний коефіцієнт технологічності До тех.
Вирази для визначення значень всіх приватних показників технологічності повинні для "ідеального" приладу прагнути до 1; фактичні значення приватних показників технологічності До повинні знаходитися в межах
0
Таблиця 1
| Загальна кількість деталей (без кріпильних) | В тому числі | Кількість кріпильних деталей |
|||
| власні | запозичені | стандартні | покупні |
||
| | | | | | |
| | | | | | |
Наприклад: пластина статора електродвигуна - одне найменування (n = 1), а загальна кількість пластин статора в електродвигуні дорівнює 25 (N = 25).
Коефіцієнти освоєності приладу і уніфікації його деталей визначаються за формулами:
;
;
де N СТ, N ЗМ, N п, N Σ - відповідно число стандартних, запозичених, покупних і загальне число деталей в приладі; n Σ, n кр - число найменувань деталей і число найменувань кріпильних деталей в приладі.
Примітки:
1. До стандартних відносяться деталі, охоплені ГОСТом і остом, галузевої нормаллю.
2. До запозиченим відносяться деталі, взяті з інших аналогічних розробок, і деталі, виготовлені за стандартами підприємств (СТП).
3. До власних належать деталі, які застосовуються тільки в даному приладі і на які розроблені креслення в проекті на прилад.
4. Складальні одиниці, отримані литтям або пресуванням з пластмас, приймаються за одну деталь.
5. До кріпильних деталей відносяться гайки, гвинти, болти, шпильки, заклепки і т.п., а також монтажні дроти, товарні знаки, ізоляційні прокладки і т.п.
Коефіцієнт уніфікації матеріалів K р.м. визначається тільки для власних деталей приладу за формулою
,
де - кількість сорторозмірів матеріалів для виготовлення власних деталей приладу; - загальне число найменувань власних деталей приладу.
Сорторазмера обумовлений маркою матеріалу і визначальним розмірів. Для визначення складається в табл. 2.
Таблиця 2
| Кількість | метали | пластмаси | кераміка | сума |
||
| чорні | кольорові | дорогоцінні |
||||
| сорторозмірів матеріалів | рах | сЦ | сд | Сn | СК | СΣ |
| власних деталей | nч | nц | nд | nn | nK | nΣ |
Для встановлення контрольних значень комплексного коефіцієнта технологічності і його складових базових приватних коефіцієнтів технологічності, прийнятних для виробів серійного виробництва, в табл. 3 наводяться допустимі найменші значення цих показників, складені на основі узагальнення статистичних даних аналізу технологічності конструкції електромеханічних приладів і функціональних приладів і функціональних елементів.
Таблиця 3
| Ктехн | косвен | Ку.д. | Ку.м. |
| 0,45 | 0,70 | 0,80 | 0,80 |
Побудова технологічних схем складання.
4.1. Збірка вироби - дискретний у часі процес, який складається з окремих переходів. Перехід - найменша закінчена частина технологічного процесу, виконувана без перерви в часі. Упорядкований набір переходів утворює складальну операцію.
4.2. Першим етапом розробки маршрутного технологічного процесу складання є побудова технологічної схеми складання.
Процес складання складного виробу складається з операцій, що виконуються не тільки послідовно, але й паралельно, а іноді і з циклами. Технологічна схема складання є графічною інтерпретацією такого процесу. Найбільш ясно і повно відображають технологічний процес складання схеми з базовою деталлю. При побудові технологічної схеми складання використовуються умовні позначення, представлені в табл. 4.
Таблиця 4
| позначення | елемент |
|||||
| | матеріал |
|||||
| | деталь |
|||||
| складальна одиниця |
|||||
| SHAPE \ * MERGEFORMAT | складальна операція |
|||||
| SHAPE \ * MERGEFORMAT | регулювальна операція |
|||||
| SHAPE \ * MERGEFORMAT | юстіровочная операція |
|||||
| | покупної елемент |
|||||
| | Складальне або КЮ пристосування |
|||||
| | Виділений при частковому розбиранні або у роботі елемент |
|||||
| SHAPE \ * MERGEFORMAT | Лінія напрямки збірки |
|||||
| SHAPE \ * MERGEFORMAT | складальна операція |
Рис.1. Один з варіантів технологічної схеми складання.
Правила побудови технологічних схем збирання
1. На основному зображенні елемента в нижній половині вказується номер позиції за кресленням; у верхній половині - кількість однакових елементів. На умовному зображенні матеріалу вказується марка матеріалу. Куплені елементи штрихуються у верхній половині.
2. Технологічна схема складання починається з зображення базової деталі або базової складальної одиниці, що виконує в даній конструкції роль корпусу або підстави, а закінчується зображенням зібраного вироби.
3. Складальні одиниці або деталі, що збираються одночасно, приєднуються до ліній збірки в даній точці.
4. Кілька деталей або складальних одиниць, що встановлюються після їх попереднього збирання, але без освіти складальної одиниці, приєднуються до додаткової лінії збірки в послідовності їх сполуки; додаткова лінія збірки підводиться до основної в точці операції, на якій формується складальна одиниця з іншими елементами вироби.
5. Складальна одиниця, яка формується паралельно з основним виробом, будується на додаткової лінії збірки; а додаткова лінія збірки підводиться до основної в точці зборки цієї складальної одиниці з основним виробом.
6. Стрілка показує напрямок збірки. При частковому розбиранні стрілка спрямована від операції до елементу.
7. Знаки контрольних і регулювальних операцій підводяться до лінії складання безпосередньо після тієї складальної одиниці, щодо якої вони виробляються.
8. Визначальний діаметр знака - 10 мм. На малюнку показаний приклад технологічної схеми складання.
Технологія та автоматизація виробництва
Для розробки технологічних процесів складання необхідно мати вихідну інформацію, яка, згідно з ГОСТ 14.303-73 підрозділяється на:
- базову;
- керівну;
- довідкову.
Базоваінформація включає дані, що містяться в конструкторської документації на виріб, і програму випуску цього виробу.
керівнаінформація включає дані, що містяться в:
- стандартах всіх рівнів на технологічні процеси і методи управління ними, устаткування і оснащення;
- документації на типові і перспективні технологічні процеси;
- виробничих інструкціях.
Довідковаінформація включає дані, що містяться в каталогах і типажі прогресивного обладнання, в довідниках, звітах по НДР і ДКР і т.д.
Розробка технологічного процесу починається зі складання технологічного маршруту, який ґрунтується на технологічній схемі збірки і передбачає визначення, зміст операцій і застосовуваного технологічного устаткування.
Розробка операційного технологічного процесу складання включає комплекс взаємопов'язаних робіт
- визначення змісту і послідовності операцій;
- визначення, вибір і замовлення нових засобів технологічного оснащення (в тому числі засобів контролю і випробування);
- нормування процесу;
- визначення організаційних форм реалізації технологічного процесу;
- оформлення робочої документації на технологічні процеси.
Інформаційною основою при розробці технологічних процесів є типові технологічні процеси складання конструктивно-технологічних споріднених виробів.
Проектування технологічного оснащення та спеціалізованого обладнання
Автоматичні системи і вимірювальні комплекси, які використовуються для цілей навігації, стабілізації та інших видів управління, складаються з різних деталей, механічних, магнітних та інших пристроїв, електричних елементів, індуктивних елементів, складних електронних функціональних пристроїв, створених на базі мікроелектроніки.
Різноманіття цих деталей і складальних одиниць, високі вимоги до точності, ресурсу та часу готовності виробів, постійно зростаючі вимоги до продуктивності і якості виробів вимагають оснащення цехів приладобудівних підприємств спеціальним високоточним обладнанням і оснащенням.
Частина цього обладнання і оснастки виробляється машино- і верстатобудівними підприємствами, інша частина (спеціалізована) проектується і виробляється на підприємствах приладобудівних галузей.
Все обладнання, яке використовується при зборці, регулюванню і випробуваннях, можна розбити на наступні групи.
I. Група устатковання загального призначення: вібраційні стенди, ударні установки, центрифуги, термобарокамерах, стенди транспортних навантажень, камери пилу, сонячної радіації, морського туману, гігростати, обладнання для перевірки електричних параметрів елементів (опір ізоляції, електричної міцності, ємності тощо .), обладнання для перевірки частотних характеристик виробу (аналізатора спектра частот), універсальне обладнання для контролю лінійних і кутових величин, складальні преси.
II. Група устаткування, що використовується безпосередньо в складальному процесі: вакуум-просочувальні установки, установки терморадиационной сушки, установки для промивання деталей перед складанням, установки для комплектації опор перед складанням (установки для перевірки моменту тертя, жорсткості елементів, контактного кута або частотних характеристик опор, теплових характеристик опор), установки для статичної та динамічної балансування, установки для статичної та динамічної балансування, установки для заповнення приладів рідинами і газами, установки для намотування елементів з обмотками загального призначення, установки для прошивки елементів запам'ятовуючих пристроїв, установки для формування висновків електроелементів, установки для укладання електроелементів на негативні плати, установки для автомавтіческой пайки електроелементів і контролю режимів пайки, вакуумні установки для дегазації елементів в процесі складання, установки для розмагнічування елементів, установки для контролю параметрів зубчастих коліс тощо і збірці, установки для зварювання, установки для розмагнічування деталей і т.п.
III. Група контрольно-випробувального обладнання: напівавтоматичні і автоматичні установки для контролю комутації електричних і електронних елементів вироби, установки для регулювання, градуювання та повірки приладів, установки та стенди для регулювання, випробувань, зняття статичних і динамічних характеристик електричних і електронних функціональних елементів виробів, установки для регулювання і випробувань гідро- і пневмопристроїв виробів, установки для перевірки втрат на тертя в редукторах, установки для контролю кінематичної точності редукторів, стенди і установки випробувань і регулювання приладів навігації і стабілізації.
Вибір засобів технологічного оснащення проводиться відповідно до вимог ГОСТ 14.301 і з урахуванням:
- типу виробництва і його організаційної структури;
- вигляду виробу і програми випуску;
- характеру наміченої технології;
- максимального використання наявної стандартної оснащення та обладнання.
Спеціальні засоби технологічного оснащення проектують на основі використання стандартних деталей і складальних одиниць.
Засоби випробувань повинні мати пристрої, які відтворюють різні впливу на випробовувані вироби, і пристрої, що вимірюють параметри випробуваного вироби. Точнісні характеристики зазначених двох груп пристроїв засобів випробування повинні бути вказані між собою.
Технологія монтажу на поверхню не нова, але у вітчизняній літературі вона, на жаль, висвітлена недостатньо повно. Пропонований ряд статей, присвячений цій тематиці, допоможе читачам глибше розібратися в особливостях технологій монтажу електронних модулів. У даній статті описаний ряд конструкцій типових електронних модулів і особливості технологічного процесу складання кожного їх типу.
Сучасні електронні компоненти
Тип монтажу модулів визначається в першу чергу кількістю сторін, на які здійснюється монтаж (одно- або двосторонній), і номенклатурою використовуваних компонентів. Тому опис типів монтажу логічно передувати коротким оглядом компонентів і корпусів. Основним, найбільш важливим для технолога критерієм поділу електронних компонентів на групи є метод їх монтування на плату - в отвори або на поверхню. Саме він в основному і визначає технологічні процеси, які необхідно використовувати при монтажі.
У таблиці наведено інформацію по найбільш поширеним корпусам компонентів: назви, зображення, габарити, крок висновків. Всі розміри, за винятком особливих випадків, зазначених, наведені в Мілах (1 mil = 0,0254 мм).
| Мал. 1. ТНТ-компоненти |
 |
| Мал. 2. SMD-компоненти |
Таблиця
| Компоненти, що вмонтовуються в отвори | ||||
| Група | Типи корпусів в групі | Габарити корпусів | крок висновків | Мал. |
| З одним рядом висновків - SIL | TO-92TO-202, TO-220 і ін. | 380x190, 1120x135,420x185 ... | 100 мільйонів | Мал. 1, а |
| З двома рядами висновків - DIL | MDIP, CerDIP | 250x381 ... 577x2050 | 100 мільйонів | Мал. 1, б |
| З радіальними висновками | TO-3, TO-5, TO-18 | - | - | Мал. 1, в |
| З осьовими висновками | - | - | Мал. 1, г | |
| Грати - Grid | CPGA, PPGA | 286x286 ... 2180x2180 мил | 20 ... 100 мільйонів | Мал. 1, д |
| Компоненти, що вмонтовуються на поверхню | ||||
| З двома рядами висновків - DIL | «SOT-23, SSOP, TSOP, SOIC» | 55x120 ... 724x315 мил | 25 ... 30 мил | Мал. 2, а-б |
| З висновками по сторонам квадратного корпусу - Quad Package | LCC, CQJB, CQFP, CerQuad, PLCC, PQFP | 350х350 милий ... 20x20 мм | 50 мил ... 0,5 мм | Мал. 2, в |
| Грати - Grid | BGA, uBGA | - | 0,75 мм (uBGA) | Мал. 3, а-б |
Найцікавіші з практичної точки зору, на думку автора, корпусу BGA, а точніше mBGA, які мають 672 виведення з кроком 0,75 мм. Верхня частина корпусу BGA не представляє особливого інтересу, більш примітними є його нижня частина і внутрішній устрій цієї упаковки компонентів. На рис. 3, а зображена нижня частина корпусу BGA, на якій видно кулькові висновки, а на рис. 3, б - вид цього корпусу в розрізі.
Мал. 3. Корпус BGA
Наведений вище короткий огляд сучасних компонентів дає уявлення про те, наскільки велике число можливих варіантів реалізації монтажу модулів при різному розташуванні їх на платі. Крім того, в огляді не була представлена ще одна група - група нестандартних компонентів (odd form components).
Види монтажу можна розділяти за різними параметрами: за кількістю використовуваних для монтажу сторін плати (одно- або двосторонній), за типами використовуваних компонентів (поверхневий, вивідний або змішаний), по їх розташуванню на двосторонньому модулі (змішано-рознесений або змішаний). Розглянемо найбільш поширені з них, а також послідовність технологічних операцій для кожного виду монтажу.
види монтажу
поверхневий монтаж
Поверхневий монтаж на плати може бути одностороннім і двостороннім. Число технологічних операцій при цьому виді монтажу мінімально.
При односторонньому монтажі (рис. 4, а) на діелектричне підставу плати наносять припойними пасту методом трафаретного друку. Кількість припою, що наноситься на плату, має забезпечувати необхідні електрофізичні характеристики комутованих елементів, що вимагає відповідного контролю. Після позиціонування і фіксації компонентів виконують операцію пайки шляхом оплавлення дозованого припою. На завершення технологічного циклу проводиться контроль паяних з'єднань, а також функціональний і внутрісхемний контроль. На рис. 4, а зображені поверхнево-монтовані компоненти різних видів: щодо складно монтовані компоненти в корпусах PLCC і SOIC і легко монтуються чіп-компоненти.
Мал. 4. а, б
Для двостороннього поверхневого монтажу (рис. 4, б) можливі різні варіанти реалізації. Один з них передбачає початок технологічного процесу з операції нанесення паяльної пасти на нижню сторону плати. Потім в місцях установки компонентів наносять розрахункову дозу клею і виробляють установку компонентів. Після цього в печі клей полімеризується і відбувається оплавлення пасти припою. Плата перевертається, наноситься паста припою і встановлюються компоненти на верхню сторону плати, після чого верхня сторона оплавляется. В цьому випадку для пайки компонентів використовуються печі з одностороннім нагріванням.
При іншому варіанті реалізації двостороннього поверхневого монтажу використовуються печі з двостороннім нагріванням.
Цікаве питання про необхідність нанесення клею на плату. Цю операцію виконують з метою запобігання відділення компонентів від плати при її перекиданні. Існуючі розрахунки показують, що більшість компонентів не впадуть з плати навіть при її перевертанні, оскільки будуть триматися за рахунок сил поверхневого натягу припойними пасти. З цієї причини операцію нанесення клею можна віднести до обов'язкових.
Змішано-рознесений монтаж
При змішано-рознесеному монтажі компоненти, що встановлюються в отвори (THT-компоненти), розташовуються на верхній стороні плати, а компоненти для поверхневого монтажу - на нижній. В цьому випадку обов'язковою є операція пайки подвійний хвилею припою. Змішано-рознесений монтаж компонентів показаний на рис. 5.
Мал. 5. Змішано-рознесений монтаж
Реалізація такого виду монтажу передбачає наступну послідовність операцій: на поверхню плати наноситься дозатором клей, на який встановлюються SMD-компоненти, клей полімеризується в печі, після чого проводиться установка компонентів в отвори, промивка модуля і виконуються операції контролю.
Можливий альтернативний варіант, при якому складання починають з установки компонентів в отвори плати, після чого розміщують поверхнево-монтовані компоненти. Він застосовується тоді, коли формування і вирубка висновків звичайних компонентів здійснюється за допомогою спеціальних пристосувань заздалегідь, інакше компоненти, монтовані на поверхню, будуть ускладнювати обрізку висновків, що проходять через отвори плати. Компоненти для поверхневого монтажу при підвищеній щільності їх розміщення доцільно монтувати в першу чергу, що вимагає мінімальної кількості переворотів плати в процесі виготовлення виробу.
змішаний монтаж
Прикладом змішаного монтажу є установка на верхній стороні плати і SMD-, і ТНТ-компонентів (вмонтовуються в отвори), а на нижньому боці - тільки SMD-компонентів. Це найскладніша різновид монтажу (рис. 6).
Мал. 6. Змішаний монтаж
Можуть бути різні варіанти її реалізації. При одному з них спочатку на нижню сторону друкованої плати методом дозування наносять клей, а на нанесений клей встановлюють SMD-компоненти. Після проведення контролю установки компонентів проводять затвердіння клею в печі. На верхню сторону плати наноситься паяльна паста, а на неї потім встановлюються SMD-компоненти. Нанесення паяльної пасти можливо як методом трафаретного друку, так і методом дозування. В останньому випадку операції нанесення клею і паяльної пасти можна проводити на одному обладнанні, що скорочує витрати. Однак нанесення паяльних паст методом дозування непридатне при промисловому виробництві через низьку швидкості і стабільності процесу в порівнянні з трафаретним друком і виправдано тільки в умовах відсутності трафарету на виріб або недоцільність його виготовлення. Така ситуація може скластися, наприклад, при дослідному виробництві великої номенклатури електронних модулів, коли через велику кількість оброблюваних конструктивів і малих серій витрати на виготовлення трафаретів значні.
Після установки SMD-компонентів на верхню сторону плати проводиться їх групова пайка методом оплавлення припойними пасти, нанесеною на трафаретному принтері, або методом дозування. Після цієї операції технологічний цикл, пов'язаний з установкою поверхнево монтованих компонентів, вважається завершеним.
Далі, після ручної установки компонентів в отвори плати проводиться спільна пайка всіх SMD-компонентів, раніше утримувалися на нижньому боці плати за допомогою отвержденного адгезиву і вже встановлених вивідних компонентів.
В кінці технологічного циклу виконують операції візуальної інспекції пайки і контролю.
При іншому варіанті реалізації змішаного монтажу передбачається інша послідовність виконання операцій. Першим етапом є нанесення припойними пасти через трафарет, установка на верхній стороні плати складних компонентів для поверхневого монтажу (SO, PLCC, BGA) і пайка розплавленням дозованого припою. Потім, після установки компонентів в отвори плати (з відповідною обрізанням і фіксацією висновків), плата перевертається, на неї наноситься адгезив і встановлюються компоненти простих форм для поверхневого монтажу (чіп-компоненти, компоненти в корпусі SOT). Вони і висновки компонентів, встановлених в отвори, одночасно пропаіваются подвійний хвилею припою. Можливо також використання в складі однієї лінії устаткування, що забезпечує ефективну пайку компонентів (з верхньої сторони плати) розплавленням дозованого припою і пайку (з нижньої сторони плати) хвилею припою.
Необхідно відзначити, що в технологічному процесі, що реалізує змішаний монтаж, зростає кількість контрольних операцій через складність збирання при наявності компонентів на обох сторонах плати. Неминуче зростають також кількість паяних з'єднань і труднощі забезпечення їх якості.
Односторонній вивідний і поверхневий монтаж
Така технологія називається в світовій практиці назву технології оплавлення припойними паст (reflow) і є однією з стандартних в технології монтажу на поверхню (рис. 7).
Мал. 7. Односторонній монтаж SMD і ТНТ
Збірка модулів такого типу здійснюється наступним чином: на поверхню плати наноситься припойні паста, на яку встановлюють SMD-компоненти; потім паста оплавляется в печі, встановлюються THT-компоненти, проводиться пайка хвилею припою, після чого здійснюють промивку та контроль зібраного модуля.
Односторонній вивідний монтаж
Технологія складання таких друкованих плат (рис. 8) є стандартним складально-монтажних циклом із застосуванням пайки хвилею припою. Цей цикл складається з операцій установки вивідних компонентів, їх пайки на установці пайки хвилею і контрольних операцій. Установка компонентів може бути як ручний, так і напівавтоматичного. Вибір обладнання визначається необхідною продуктивністю. Автоматизація такого типу монтажу є мінімальною, а сама реалізація - гранично простий.
Мал. 8. Односсторонній монтаж ТНТ
Дана публікація є першою статтею з циклу, присвяченого поверхневому монтажу. Логічним її продовженням стане висвітлення питання складу виробничої лінії, на якій реалізується цей вид монтажу: необхідність кожного виду обладнання, його технічні характеристики і роль в технологічному процесі, необхідний склад персоналу і його кваліфікація, а також інші питання, що виникають при створенні складально-монтажного виробництва .
література
- Schmits J., Heiser G., Kukovski J. Погляд в майбутнє. Технологічні тенденції розвитку електронних компонентів і складання електронних модулів на друкованих платах. Переклад і адаптація А. Калмикова. Компоненти і технології, № 4, 2001..
- www.pcbfab.ru.
Технологічний процес виготовлення розробленого пристрою
являє собою комплекс дій виконавців обладнання по перетворенню вихідних матеріалів і комплектуючих елементів в готове
виріб. При розробці ТП ставиться завдання знаходження такого варіанту,
який би забезпечив найбільш економічне рішення. Відповідно ЕСТПП слід, в першу чергу, використовувати типові технологічні маршрути, процеси і операції. Не рекомендується передбачати обробку на унікальних дорогих верстатах за винятком тих випадків, коли це технологічно і економічно виправдано. Необхідно використовувати тільки стандартний ріжучий і вимірювальний інструмент. Слід застосовувати найбільш досконалі форми організації виробництва: безперервні та групові потокові лінії, групові технологічні процеси
групові наладки. Розробка робочого техпроцесу повинна виконуватися на базі типового.
Типовий техпроцес збірки друкованих плат складається з наступних операцій:
1. Комплектовочная операція.
2. Вхідний контроль мікросхем і ЕРЕ.
3. Вхідний контроль ПП.
4. Формування та обрізка висновків ЕРЕ.
5. Лудить висновків ІМС і ЕРЕ.
6. Підготовка ПП до монтажу.
7. Встановлення елементів на ПП.
8. флюсування.
10. Видалення флюсу.
11. Контроль якості пайки.
12. Захист від вологи.
Розглянемо технологічний процес більш докладно.
Згідно комплектувальної карті необхідно провести комплектацію, тобто отримати зі складу всі необхідні вироби: ПП, мікросхеми, конденсатори, роз'єми і так далі. У технологічну карту записати дату видачі ЕРЕ, ІМС, плати зі складу. Комплектуючі вироби розкласти в відповідну тару.
Вхідний контроль полягає в ретельній перевірці ЕРЕ, ІМС і плати. На поверхні елементів не повинно бути тріщин, вм'ятин, відколів та інших пошкоджень. Необхідно перевірити наявність товарного знака, знака заводу-виготовлювача, ключа для визначення першого виведення ІМС.
П 
роізводітся наскрізна перевірка працездатності ІМС на контрольно-перевірочному стенді, так як відмова будь-якої ІМС призводить до відмови всієї системи.
Перевірка працездатності ЕРЕ проводиться вибірково. Знижену якість окремих деталей не виключається, виходячи з таких міркувань: 1. Недостатній вихідний контроль; 2. Тривале зберігання готових виробів на складе.Возможность пошкоджень при транспортуванні.
Проводиться промивка ПП в ванні з спиртобензиновой сумішшю. Проводиться ретельний огляд зовнішнього вигляду ПП за допомогою збільшувальною лупи. Діелектричне підставу плати повинно бути монолітним, однорідним "без здуття, розшарувань, подряпин і" сторонніх "включень. Колір діелектрика повинен бути однотонний, без різких кордонів, що виділяють якісь області поверхні плати. Шар металізації повинен бути рівним, щільним, без наскрізних протравов, тріщин, нерівностей: країв, що зменшують їх мінімально допустиму ширину. Наскрізні металізовані отвори повинні бути чистими і вільними від включень будь-якого роду.
Основним способом формування висновків є гнучка. У випадках її механізації робоча частина інструмента - пуансона, матриці, штампа, як правило, відповідає формі висновків. При проектуванні ПП враховані розміри ІМС, роз'єму і відстані між ніжками елементів. Тому штирові висновки використовуваних мікросхем і роз'єму не формуються. Формування ж висновків конденсаторів необхідна, так як розташування висновків не відповідає розташуванню отворів на ПП.
Якість виконання паяного з'єднання багато в чому залежить від старанності підготовки поверхонь, що з'єднуються. Для отримання міцного з'єднання необхідна хороша змочуваність поверхонь флюсами і припоями, яка залежить як від властивостей матеріалів, так і від форми шорсткості поверхонь, наявності на з'єднуються поверхнях органічних забруднень, іржі, оксидних і жирових плівок.
П 
одготовка паяються поверхонь здійснюється двома способами: механічним і хімічним. Механічна обробка полягає у видаленні поверхневого шару металу, шліфуванні поверхні абразивними пастами. Однак, це не виключає пошкодження поверхонь. При хімічному способі паяемие поверхні обробляються розчинниками типу спиртобензиновой і спіртофреонових сумішей. При цьому утворюється поверхня без оксидних і жирових плівок.
Скористаємося хімічним способом, як більш задовольняє нашому техпроцесу. Найбільш ефективним тут є занурення висновків ІМС, ЕРЕ і роз'єму, закріплених в спеціальній тарі, в ванну зі спиртобензиновой розчином. Потім проводиться промивка висновків в теплій проточній воді.
Для забезпечення високої якості пайки застосовують попереднє облуживание висновків ІМС м ЕРЕ. Лудить полягає в покритті деталей, що з'єднуються тонкою плівкою припою, яка повинна бути суцільною, без тріщин, пор, сторонніх включень, напливів та гострих виступів. Операція лудіння за допомогою ручного методу, тобто паяльником, малоефективна через високу трудомісткості і великих витрат часу. Тому найбільш ефективним є гаряче лудіння висновків ІМС, ЕРЕ і роз'єму в рідкий флюс ФКСП, а потім в ванну з розплавленим припоєм ПОС - 61. При цьому слід врахувати, що час лудіння обмежена (t< 3 сек).
Установка навісних елементів на ПП складається з подачі їх в зону установки, орієнтації висновків щодо монтажних отворів або контактних майданчиків і фіксації ЕРЕ і ІМС в необхідному положенні. Залежно від характеру виробництва і конструктивних особливостей ПП установку виробляють вручну, механізованим або автомати-зірованним способом. Автоматизований метод застосовується при складанні великих партій виробів, при цьому, число встановлюваних компонент становить від 5 до 50 млн. Штук на рік. При обсязі випуску, що вимагає установки на плати 0,5 ... 5 мільйонів елементів / рік і щільності кожної до 500 елементів, застосовують обладнання з пантографами, оснащене механізованими засобами для укладки головками.
П 
рименение ручної збірки економічно вигідно при виробництві не більше півтори сотні плат на рік. Істотним достоїнством ручної збірки є можливість постійного візуального контролю, що дозволяє використовувати відносно великі допуски на розміри висновків, контактних майданчиків і монтажних отворів, робить можливим виявлення дефектів ПП і компонентів. В даному випадку установка ІС і ЕРЕ виробляється на платі рядами, але орієнтація ІМС в різних рядах здійснюється неоднаково через відмінності в розмірах встановлених ІМС і ЕРЕ, їх великої кількості. Зі сказаного можна зробити висновок, що використання механізованих і автоматизованих ліній не є виправданим.
Елементи встановлюються на ПП згідно креслення в наступній послідовності: ІМС, резистори, діоди, транзистори, конденсатори, роз'єм. Після установки висновки підгинаються з протилежного боку, фіксуючи тим самим елементи. При установці ІМС повинен бути передбачений відведення статичної електрики від монтажника за допомогою заземленого браслета.
Механізм дії флюсу полягає в тому, що оксидні плівки металу і припою розчиняються, розрихлюються і спливають на поверхню флюсу. Флюси служать для зменшення сил поверхневого натягу розплавленого припою на кордоні метал-припій-флюс. Правильний вибір флюсу забезпечує якісне з'єднання і суттєво впливає на швидкість і ступінь завершеності процесу пайки. Обраний флюс повинен бути хімічно активним і розчиняти оксиди паяються металів, термічно стабільний і витримувати температуру пайки без випаровування або розкладання.
Ф 
люсованіе можна робити різними методами: пензлем, зануренням, протягуванням, накочуванням, розпиленням, обертовими щітками. У среднесерийном виробництві використовується пінне або хвильове флюсування. Широке застосування при здійсненні монтажних з'єднань отримали безкислотні флюси. Флюси на основі каніфолі не роблять корозійного дії.
Процес пайки контактних з'єднань включає в себе:
фіксацію елементів, що з'єднуються з попередньо підготовленими поверхнями для пайки;
нагрів поверхонь пайки до заданої температури протягом обмеженого часу;
введення в зону флюсу припою в необхідних і достатніх для пайки дозах;
плавлення припою з максимальним зволоженням їм поверхні пайки;
охолодження припою в умовах, що виключають взаємне переміщення паяються деталей.
Найкраща якість пайки забезпечує евтектичних припій. Важливе його властивість - вузький температурний інтервал кристалізації. При наявності широкого інтервалу кристалізації необхідно підтримувати незмінним становищем паяються поверхонь при охолодженні припою.
Після пайки необхідно ретельно очистити вузли і паяні з'єднання від забруднень, здатних привести до корозії і зниження опору ізоляції діелектричних матеріалів. Вибір способу очищення залежить від ступеня і характеру забруднення. Середовище для відмивання вибирають в залежності від застосовуваних флюсів. При малих обсягах виробництва вузли ЕВА послідовно промивають в декількох ваннах зі спеціальними віброустановці частотою 50 Гц і амплітудою 1-2 мм. У нашому випадку ефективно використовувати послідовне занурення в ванну з спиртобензиновой сумішшю, потім у ванну з гарячою і холодною водою. Тривалість витримки в кожній ванні становить близько 1 хвилини.
П 
роізводітся візуальний контроль якості пайки. Паяна поверхня повинна бути блискучою, рівною, без здуття, раковин і гострих виступів припою. Не повинно бути напливів олова з одного провідника на інший. Дефекти усуваються за допомогою паяльника і флюсу ФКСП шляхом нанесення невеликої кількості флюсу на місце дефекту і зняття надлишку олова паяльником. Огляд проводиться за допомогою збільшувального скла. Випробування на вибропрочность піддається 2% плат з кожної партії, але не менше 3 штук. З'єднання висновків навісних деталей в отворах плати повинні витримати зусилля до 0.5 кг.
Основними електроізоляційними матеріалами є просочувальні лаки, компаунди, покривні лаки і емалі. Емалі і покривні лаки використовують для обволікання. Вони складаються з основи і розчинника, повинні швидко сохнути і утворювати блискучу плівку, добре зчіплюється з покривається поверхнею.
Для усунення кліматичних впливів і підвищення корозійної стійкості блок рівномірно покривають тонким шаром лаку. Для цього його опускають в ванну з лаком УР 231, потім виймають і висушують гарячим повітрям при t = 40 - 60 0 С. Після цього блок ставиться в тару, упаковується і відправляється замовнику.
Збірка і герметизація мікросхем і напівпровідникових приладів включає в себе 3 основні операції: приєднання кристала до основи корпусу, приєднання висновків і захист кристала від впливу зовнішнього середовища. Від якості складальних операцій залежать стабільність електричних параметрів і надійність кінцевого виробу. крім того, вибір методу складання впливає на сумарну вартість продукту.
Приєднання кристала до основи корпусу
Основними вимогами при приєднанні полупроводінкового кристала до основи корпусу є висока надійність з'єднання, механічна міцність і в ряді випадків високий рівень передачі тепла від кристала до підкладки. Операцію приєднання проводять за допомогою пайки або приклеювання.
Клеї для монтажу кристалів можуть бути умовно розділені на 2 категорії: електропровідні і діелектричні. Клеї складаються з сполучного речовини клеї і наповнювача. Для забезпечення електро- і теплопровідності до складу клею як правило вводять срібло у вигляді порошку або пластівців. Для створення теплопровідних діелектричних клеїв в якості наповнювача використовують скляні або ке-раміческіе порошки.
Пайка здійснюється за допомогою провідних скляних або металевих припоев.
Скляні припої - це матеріали, що складаються з оксидів металів. Вони мають гарну адгезію до широкого спектру кераміки, оксидів, напівпровідникових матеріалів, металів і характеризуються високу корозійну стійкість.
Пайка металевими припоями здійснюється за допомогою навесок або прокладок припою заданої форми і розмірів (пре-форм), які розміщені між кристалом і підкладкою. У масовому виробництві застосовується спеціалізована паяльна паста для монтажу кристалів.
приєднання висновків
Процес приєднання висновків кристала до основи корпусу здійснюється за допомогою про-волоки, стрічки або жорстких висновків у вигляді кульок або балок.
Дротяний монтаж здійснюється термокомпресіонной, електроконтактні або ультразвукової зварюванням за допомогою золотої, алюмінієвої або мідного дроту / стрічок.
Бездротовий монтаж здійснюється в технології «перевернутого кристала» (Flip-Chip). Жорсткі контакти у вигляді балок або кульок припою формуються на кристалі в процесі створення металізації.
Перед нанесенням припою поверхню кристала пассивируется. Після літографії і травлення, контактні площадки кристала додатково металлизируются. Ця операція проводиться для створення бар'єрного шару, запобігання окислення і для поліпшення змочуваності і адгезії. Після цього формуються висновки.
Балки або кульки припою формуються методами електролітичного або вакуумного напилення, заповнення готовими микросферами або методом трафаретного друку. Кристал зі сформованими висновками перевертається і монтується на підкладку.
Захист кристала від впливу зовнішнього середовища
Характеристики напівпровідникового приладу в сильному ступені визначаються станом його по-поверхні. Зовнішнє середовище впливає на якість поверхні і, соответствен-но, на стабільність параметрів приладу. дане вплив змінюється в процесі експлуатації, тому дуже важливо захистити поверхню приладу для збільшення його надійності і терміну служби.
Захист напівпровідникового кристала від впливу зовнішнього середовища здійснюється на заклю-ве етапі складання мікросхем і напівпровідникових приладів.
Герметизація може бути здійснена допомогою корпуса або в бескорпусном виконанні.
Корпусні герметизація здійснюється шляхом приєднання кришки корпусу до його основи за допомогою пайки або зварювання. Металеві, метало-скляні і керамічні корпусу забезпечувала-ють вакуум-щільну герметизацію.
Кришка в залежності від типу корпусу може бути припаяна з використанням скляних припоев, металевих припоев або приклеєна за допомогою клею. Кожен з цих матеріалів має свої переваги і вибирається в залежності від розв'язуваних задач
Для бескорпусной захисту напівпровідникових кристалів від зовнішніх впливів використовують пластмаси та спеціальні заливальні компаунди, які можуть бути м'якими або твердими після полімеризації, в залежності від завдань і застосовуваних матеріалів.
Сучасна промисловість пропонує два варіанти заливки кристалів рідкими компаундами:
- Заливка компаундом середньої в'язкості (glob-top, Blob-top)
- Створення рамки з високов'язкого компаунда і заливка кристала компаундом низькою в'язкості (Dam-and-Fill).
Основна перевага рідких компаундов перед іншими способами герметизації кристала за-лягає у гнучкості системи дозування, яка дозволяє використовувати одні і ті ж матеріали і обладнання для різних типів і розмірів кристалів.
Полімерні клеї розрізняють за типом сполучного речовини і по типу матеріалу наповнювача.
сполучний матеріал
Органічні полімери, використовувані в якості адгезиву, можуть бути розділені на дві основні категорії: реактопласти і термопласти. Всі вони є органічними матеріалами, але
істотно відрізняються за хімічними та фізичними властивостями.
У реактопластах при нагріванні полімерні ланцюги необоротно зшиваються в жорстку тривимірну сітчасту структуру. Виникаючі при цьому зв'язку дозволяють отримувати високу адгезійну здатність матеріалу, але при цьому ремонтопридатність обмежена.
У термопластичних полімерах не відбувається затвердіння. Вони зберігають здатність до розм'якшення і розплавлення при нагріванні, створюючи міцні еластичні зв'язку. Ця властивість дозволяє використовувати термопласти в задачах, де потрібно ремонтопридатність. Адгезионная здатність термопластичних пластмас нижче, ніж у реактопластов, але в більшості випадків цілком достатня.
Третій тип сполучного речовини - суміш термопластів і реактопластів, що об'єднує в собі
переваги двох типів матеріалів. Їх полімерна композиція являє собою взаємопроникні мережу термопластичних і реактопластічних структур, що дозволяє використовувати їх для створення високоміцних ремонтопридатність з'єднань при відносно низьких температурах (150 ° С - 200 ° С).
Кожна система має свої переваги і недоліки. Одним з обмежень у використанні термопластичних паст є повільне видалення розчинника в процесі оплавлення. Раніше для з'єднання компонентів з використанням термопластичних матеріалів потрібно провести процес нанесення пасти (дотримуючись площинності), сушки для видалення розчинника і тільки потім установки кристала на підкладку. Такий процес виключав утворення пустот в клеїть матеріалі, але збільшував вартість, дихати було важко використання даної технології в масовому виробництві.
Сучасні термопластичні пасти мають здатність дуже швидкого випаровування розчинника. Це властивість дозволяє наносити їх методом дозування, використовуючи стандартне обладнання, і встановлювати кристал на ще не висушену пасту. Далі йде етап швидкого низькотемпературного нагріву, під час якого розчинник видаляється, і після оплавлення створюються адгезійні зв'язку.
Довгий час були складності зі створенням високо теплопровідних клеїв на основі термопластів та реактопластів. Дані полімери не дозволяли збільшувати зміст теплопроводящей наповнювача в пасті, оскільки для гарної адгезії був потрібний високий рівень сполучного речовини (60-75%). Для порівняння: в неорганічних матеріалах частка сполучного речовини могла бути зменшена до 15-20%. Сучасні полімерні клеї (Diemat DM4130, DM4030, DM6030) позбавлені цього недоліку, і зміст теплопроводящей наповнювача досягає 80-90%.
наповнювач
Основну роль у створенні тепло-, електропровідного адгезиву грають тип, форма, розмір і кількість наповнювача. В якості наповнювача використовується срібло (Ag) як хімічно стійкий матеріал з найбільш високим коефіцієнтом теплопровідності. Сучасні пасти містять в собі
срібло у вигляді порошку (мікросфери) і пластівців (лусочок). Точний склад, кількість і розмір часток експериментально підбираються кожним виробником і в сильному ступені визначають теплопроводящие, електропровідні і клеять матеріалів. У завданнях, де потрібно діелектрик з теплопровідними властивостями, в якості наповнювача використовується керамічний порошок.
При виборі електропровідного клею слід брати до уваги такі фактори:
- Тепло-, електропровідність використовуваного клею або припою
- Допустимі технологічні температури монтажу
- Температури наступних технологічних операцій
- Механічна міцність з'єднання
- Автоматизація процесу монтажу
- ремонтопридатність
- Вартість операції монтажу
Крім того, при виборі адгезиву для монтажу слід звертати увагу на модуль пружності полімеру, площа і різниця КТР з'єднуються компонентів, а також товщину клейового шва. Чим нижче модуль пружності (чим м'якше матеріал), тим більші площі компонентів і велика різниця КТР з'єднуються компонентів і більш тонкий клейовий шов допустимі. Високе значення модуля пружності вносить обмеження в мінімальну товщину клейового шва і розміри з'єднуються компонентів через можливість виникнення великих термомеханических напружень.
Приймаючи рішення про застосування полімерних клеїв, необхідно враховувати деякі технологічні особливості цих матеріалів і з'єднуються компонентів, а саме:
- довжина кристала (або компонента)визначає величину навантаження на клейовий шов після охолодження системи. Під час пайки кристал і підкладка розширюються відповідно до своїх КТР. Для кристалів великого розміру необхідно використовувати м'які (з низьким модулем пружності) адгезиви або узгоджені з КТР матеріали кристала / підкладки. Якщо відмінність КТР занадто велике для даного розміру кристала, з'єднання може бути порушено що призведе до відшарування кристала від підкладки. Для кожного типу пасти виробник, як правило, дає рекомендації по максимальних розмірах кристала для певних значень різниці КТР кристала / підкладки;
- ширина кристала (або з'єднуються компонентів)визначає відстань, яке проходить розчинник, що міститься в адгезиві, до того як покине клейовий шов. Тому розмір кристала повинен враховуватися і для правильного видалення розчинника;
- металлизация кристала і підкладки (або з'єднуються компонентів)не обов'язкова. Зазвичай полімерні клеї мають хорошу адгезію до багатьох неметаллізірованим поверхонь. Поверхні повинні бути очищені від органічних забруднень;
- товщина клейового шва.Для всіх адгезиву, що містять тепло-, електропровідний наповнювач, існує обмеження по мінімальній товщині клейового шва dx (див. Малюнок). Занадто тонкий шов не буде мати досить сполучного речовини, щоб покрити весь наповнювач і сформувати зв'язку з сполучаються поверхнями. Крім того, для матеріалів з високим модулем пружності товщина шва може обмежуватися різними КТР для матеріалів, що з'єднуються. Зазвичай для клеїв з низьким модулем пружності рекомендована мінімальна товщина шва становить 20-50 мкм, для клеїв з високим модулем пружності 50-100 мкм;
- час життя адгезиву до установки компонента.Після нанесення адгезиву розчинник з пасти починає поступово випаровуватися. Якщо клей висихає, то не відбувається змочування і приклеювання матеріалів, що з'єднуються. Для компонентів малого розміру, де відношення площі поверхні до об'єму нанесеного клею велике, розчинник випаровується швидко, і час після нанесення до установки компонента необхідно мінімізувати. Як правило, час життя до установки компонента для різних клеїв варіюється від десятків хвилин до декількох годин;
- час життя до термічного затвердіння клеювідраховується від моменту установки компонента до приміщення всієї системи в піч. При тривалій затримці може відбуватися розшарування і розтікання клею, що негативним чином позначається на адгезії і теплопровідності матеріалу. Чим менше розмір компонента і кількість нанесеного клею, тим швидше він може висохнути. Час життя до термічного затвердіння клею може варіюватися від десятків хвилин до декількох годин.
Вибір дроту, стрічок
Надійність дротяного / стрічкового з'єднання в сильному ступені залежить від правильного ви-бору дроту / стрічки. Основними факторами визначальними умови застосування того чи іншого типу дроту є:
Тип корпусу. У герметичних корпусах використовується тільки алюмінієва або мідний дріт, оскільки золото і алюміній утворюють тендітні интерметаллические з'єднання при високих темпе-ратура герметизації. Однак для негерметичних корпусів використовується тільки золота дріт / стрічка, оскільки даний тип корпусу не забезпечує повну ізоляцію від вологи, що призводить до корозії алюмінієвої і мідної проволоки.
Розміри дроту / стрічок(Діаметр, ширина, товщина) більш тонкі провідники потрібні для схем з малими контактними майданчиками. З іншого боку, чим вище напруга, яка подається з'єднання, тим більший перетин провідників необхідно забезпечити
Міцність на розрив. Дріт / стрічки піддаються зовнішньому механічному впливу протягом наступних етапів і в процесі експлуатації, тому, чим вище міцність на розрив, тим краще.
Відносне подовження. Важлива характеристика при виборі дроту. Занадто високі значення відносного подовження ускладнюють контроль формування петлі при створенні прово-молочного з'єднання.
Вибір методу захисту кристала
Герметизація мікросхем може бути здійснена допомогою корпуса або в бескорпусном виконанні.
При виборі технології та матеріалів, які будуть використовуватися на етапі герметизації, сліду-ет брати до уваги такі фактори:
- Необхідний рівень герметичності корпусу
- Допустимі технологічні температури герметизації
- Робочі температури мікросхеми
- Наявність металізації поверхонь, що з'єднуються
- Можливість використання флюсу і спеціальної атмосфери монтажу
- Автоматизація процесу герметизації
- Вартість операції герметизації
У статті наведено огляд технологій і матеріалів, що застосовуються для формування стовпчикових висновків на напівпровідникових пластинах при виробництві мікросхем.
