Технология поверхностного монтажа

ЛЕКЦИЯ 19

Развитием монтажно–сборочных работ на ПП является переход от монтажных компонентов с выводами в отверстия к поверхностному монтажу безвыводных компонентов в микрокорпусах или компонентов с планарными выходами. Его преимущества по сравнению с традиционными методами проявляются в следующем:

1) повышение плотности компоновки, так как многие компоненты имеют шаг расположения контактных площадок, равный 1,25 или 0,625 мм, и их можно монтировать на двух сторонах ПП;

2) снижение затрат на изготовление ПП из-за устранения операций сверления монтажных отверстий, их очистки, металлизации и контроля;

3) исключение подготовительных операций рихтовки, формовки, обрезки выводов;

4) повышение надежности межсоединений.

Монтаж на поверхности может быть выполнен в трех вариантах. Первый предусматривает размещение на верхней стороне ПП только компонентов монтируемых в сквозные отверстия, а на нижней – контактов для поверхностного монтажа. Соединение элементов с платой осуществляется путем пайки двойной волной припоя. Применение двойной волны позволяет обеспечить полный охват припоя металлизированных участков по всему периметру. Вторичная волна также удаляет избыток припоя с монтажных отверстий.

В случае смешенного варианта расположения компонентов на каждой стороне ПП, ТП сборки усложняется. Сначала монтируются компоненты в микрокорпусах оплавлением припоя, а затем волной припоя остальное. Для оплавления припоя применяют индивидуальный или групповой инструмент. Он захватывает микрокорпус, опускает на плату и расплавляет припой на контактных площадках. После этого инструмент поднимается. Толкатель удерживает элемент до тех пор, пока не наступит кристаллизация припоя. В инструменте температура поддерживается с высокой точностью, чтобы исключить перегрев кристалла в микрокорпусе. С помощью инструмента можно проводить и ремонтные работы.

Третий вариант предусматривает установку элементов только на поверхность ПП. Для контактирования используется пайка: электросопротивлением, конденсационная (нагретым газом в паровой фазе), сфокусированным световым лучём или инфракрасным (ИК) излучением.

Конденсационная пайка основана на расплавлении дозированного количества припоя, нанесенного в виде пасты через трафарет на контактные площадки ПП, в атмосфере насыщенного пара, образуемого кипением фторсодержащей жидкости, полностью обволакивает ПП и начинает на ней конденсироваться. Сборка быстро и равномерно нагревается до температуры кипения жидкости, в результате чего происходит плавление припоя.

Метод обеспечивает высокую чистоту среды и не требует специальной системы для поддержания температуры. К недостаткам метода относятся высокая стоимость оборудования и используемого вещества.

Пайка ИК – нагревом является более экономичной. Она может проводиться в контролируемой газовой среде или вакууме, что определяет возможность реализации бесфлюсового соединения.

Источником ИК- нагрева служат галогенные кварцевые лампы накаливания различного конструктивного исполнения и мощности. Формирование теплового поля при пайке ИК – излучением проводится при помощи различных по геометрии отражателей (рефлекторов).

Использование ИК излучения для пайки на ПП поверхностно монтируемых элементов позволяет проводить соединения как индивидуальным, так и групповым методами.

Для ограничения излучения на паянные ЭРЭ применяют защитные маски из металла.

На качество паянного соединения важную роль оказывает размер галтели припоя. Эта галтель должна обеспечить равномерную передачу термических и механических напряжений от платы к керамическим пассивным элементам. Рекомендуется массу припоя регулировать таким образом, чтобы размеры галтели не превышали 2/3 полной толщины компонента.

Применение лазерного излучения для получения процессов пайки и сварки позволяет получить эффективное средство бесконтактного нагрева. Преимуществами лазерной пайки являются:

1) высокая скорость нагрева;

2) безинерционность воздействия излучения, что позволяет вести нагрев импульсом малой длительности (10^-3...10^-2 с) и очень точно дозировать энергию излучения;

3) возможность проведения процесса с малой зоной термического влияния (0,03...0,25 мм) при минимальном диаметре пятна нагрева 0,01 мм;

4) высокая локализация мощности в зоне соединения (до 10¹² Вт/м²);

5) возможность управления излучением простыми оптическими средствами и расщепление луча с помощью зеркал на несколько направлений;

6) лазерные установки легко поддаются автоматизации путем применения микропроцессоров, точных систем позицирования и транспортных систем.

Лазерные излучения обеспечивают возможность прецезионной пайки ИМС с планарными выводами, безвыводных, поверхностно монтируемых компонентов на ПП.

Паянные соединения, образованные за короткое время (0,2...0,6 с) почти не имеют хрупкого интерметаллита Cu₂Su, поэтому выдерживают большие тепловые циклические нагрузки, обладают высокой надежностью.

ТЕХНОЛОГИЯ ГЕРМЕТИЗАЦИИ ЭС

Способы герметизации и технологические требования,

предъявляемые к качеству

ЭС эксплуатируются в различных климатических условиях и на надежность их работы оказывают влияние такие параметры окружающей среды, как температура, влажность, наличие микроорганизмов, пыли радиации. Под действием температуры происходит деструкция изоляционных материалов, которая сопровождается снижением физико-механических характеристик, выделением веществ, увеличением жесткости и хрупкости, а так же усиливается влияние других факторов.

Влага, содержащаяся в среде, проникает в микроскопические и субмикроскопические поры материалов и заметно ухудшает их свойства: вызывает возрастание диэлектрических потерь, возрастание паразитных емкостей, снижение сопротивления изоляции, снижение магнитных характеристик. при продолжительном воздействии, это приводит к нарушению работы электрических цепей.

Нарушение работы электрических цепей связано с тем, что молекулы воды обладают способностью растворять в себе углекислый газ, сернистые и другие соединения, вызывая химическую и электрохимическую коррозию металлических слоев. Существенный вклад в эти процессы вносят микроорганизмы (плесневые грибы, бактерии), которые выделяют продукты обмена, состоящие преимущественно из различного вида органических кислот.

Находящаяся в атмосфере пыль легко распространяется в пространстве, оседает на поверхности материалов ЭС и проникает внутрь изделия через не плотные соединения. Она адсорбирует влагу, служит сборником органических веществ, которые ускоряют коррозию металлов.

Влияние солнечной радиации заключается в воздействии теплового и ультрафиолетового излучения, приводящих к окислению и химическому разложению полимеров и изменению электрических свойств материалов.

Для защиты ЭС от климатических воздействий широко применяется герметизация отдельных элементов сборочных единиц и всего изделия в целом. Она позволяет стабилизировать процессы, происходящие на поверхности или в объеме изделий, а, следовательно, и его параметры при изменении состояния окружающей среды.

Все методы герметизации можно условно разделить на две группы:

1) бескорпусную герметизацию;

2) корпусную герметизацию.

К первой группе относится пропитка, обволакивание пассивирование. Ко второй – герметизация изделий в корпусах из неорганических материалов, литьевым прессованием, заливкой и капсулированием.

В независимости от метода герметизации, для обеспечения качества и эффективности процессов необходимо выполнять следующие условия:

1) перед влагозащитой тщательно очистить изделия от всех видов загрязнений и полностью удалить присутствующую в них влагу;

2) при выборе материалов предпочтение следует отдавать химически чистым материалам с низким значением влагопроницаемости и высокой нагревостойкостью, в которых отсутствуют релаксационные процессы образования поверхностных зарядов;

3) температурные коэффициенты линейного расширения герметизирующих материалов, материалов корпусов и электрических выводов должны быть максимально сближены;

4) режим отвердения герметичных материалов необходимо выбирать в зависимости от температуры эксплуатации изготовленных изделий с учетом нагревостойкости применяемых материалов и предельно допустимой температуры ЭРЭ.

5) Остаточные напряжения не должны превышать прочности на разрыв герметизирующего материала; изделия чувствительные к механическим усилиям, возникающих при отвердении, рекомендуется покрывать демпфирующим слоем из эластичного материала;

6) в процессе эксплуатации герметизированных изделий должен быть обеспечен нормальный температурный режим;

7) процессы приготовления герметизирующих смесей не должны загрязнять исходные материалы, а используемые растворители должны быть удалены при полимеризации.

Выбор оптимального ТП герметизации ЭС зависит от степени устойчивости изделия влиянию климатических факторов, от условий эксплуатации изделия, а так же от экономических факторов.

Материалы, применяемые для герметизации

В промышленности разработано огромное количество герметизирующих материалов, сведения о которых можно найти в отраслевых стандартах и специальной литературе.

Герметизирующие материалы должны обладать приемлемыми технологическими свойствами, к которым относятся: скорость отверждения, возможность полимеризации при пониженной температуре без применения внешнего давления, отсутствие усадки и летучих веществ, длительная жизнеспособность, не токсичность.

Основную часть материалов, использующихся для герметизации, составляют органические полимеры и композиции на их основе: термопластичные и термореактивные. Они характеризуются доступностью сырья, простотой переработки, широким диапазоном свойств, возможностью автоматизации ТП, экономичностью. К числу наиболее важных термопластичных материалов относятся: полиэтилен, полистирол, фторопласты, полиамиды, которые обладают высокими диэлектрическими и механическими свойствами.

Термореактивные материалы имеют более высокую нагревостойкость по сравнению с термопластичными и находят широкое применение при герметизации изделий. Они образуются на основе поликонденсационных смол (фенолальдегидных, полиэфирных, эпоксидных), полиуретанов, кремний органических материалов, каучуков и их сочетаний.

Для герметизации используются и неорганические материалы, которые практически не адсорбируют влагу, обладают высокой нагревостойкостью и стойкостью к воздействию механических нагрузок, не выделяя летучих соединений. Из этих материалов изготавливают вакуум плотные корпуса (металлические, стеклянные, керамические) или наносят защитные покрытия (легкоплавкие халькоинидные стекла, оксидные пленки кремния или алюминия, нитриды кремния). Использование таких корпусов усложняет сборку и герметизацию изделий, вызывает повышенный расход материала, затрудняет механизацию процесса.

Герметизация в вакуум – плотные корпуса с использованием неорганических материалов применяются в максимальных случаях, когда к изделию предъявляются особенно жесткие требования. Пленочные покрытия имеют малую толщину (0,5...10 мкм) и используют для стабилизации параметров полупроводниковых приборов и ИМС на стадии производства.

По виду герметизирующие полимерные материалы разделяют на лаки, эмали, компаунды. Пропиточные лаки состоят из пленкообразующих веществ (масел натуральных или синтетических смол) и растворителей, в которые при необходимости вводят пластификаторы, ускорители отвердения (сиккативы), фунгициды (противогрибковые вещества).

Для влагозащиты ПП, гибких кабелей, высокочастотных ячеек разработаны специальные лаки: УР-231, ЭП 9114, ЭП-730, ФЛ-582, ФП-525.

Высокое содержание растворителей в лаках не дает возможности получить хорошее заполнение пор и пустот, вызывают трудности при сушке, усложняют ТП, делают его пожаро- и взрывоопасным, поэтому в последнее время их заменяют маловязкими составами без растворителей. К ним относятся: эпоксидные (ЭПК-5,ЭПК-6); эпоксидно-метакриловые (КП-101,КП-103,ЭПМ-1,ЭПМ-2); полиуретановые (КТ-102) и другие.

Компаунды представляют собой механические смеси, не содержащие растворителей, на основе полимерных материалов, отвердителей, наполнителей, пластификаторов, пигментов и др. специальных добавок.

Самое широкое распространение получили эпоксидные компаунды. Это связано с их высокими техническими свойствами: хорошей адгезией к различным материалам; малой усадкой (0,4...0,6 %); высокой электропрочностью; мало изменяющейся при увлажнении и нагревании; высокой механической прочностью; малой влагопроницаемостью.

Порошковые герметизирующие материалы, изготовленные на основе эпоксидно–кремнийорганических и полиэфирных смол, характеризующихся не только высокими техническими свойствами, но и технологичностью. Для их нанесения используются высокопроизводительные автоматизированные методы (напыление, опрессовка), которые встраиваються в общую линию сборки и монтажа ЭС, быстро отверждаются (до 5 минут с последующей термообработкой), перерабатываются при малых удельных давлениях (0,5...5 МПа). Поставка потребителям производится в готовом для применения виде. Возможен длительный срок хранения и получения покрытий с широким диапазоном толщины (0,2...3 мм).

Для герметизации методом напыления используют порошкообразные компаунды ЭП-49С, ПЭП-177, ЭПВ-10; быстроотверждаемые опрессовочные компаунды “премиксы” КЭП-2, КФ-1, ЭКП-200, ЭФП-63.

Порошкообразные материалы применяют для герметизации ЭРЭ, ГИМС и др, работающих в условиях тропического климата.

Пено-компаунды – это газонаполненные полимерные материалы, имеющие ячеистую структуру, образованную замкнутыми парами. Вспенивание происходит под действием газов, выделяющихся в результате взаимодействия компонентов, после чего гранулы спекаются при температуре 60...180˚С. Они применяются для повышения тепло-, звуко- и электроизоляционных свойств изделий; влаго- и вибростойкости, устойчивости к действию масел, щелочей, грибковой плесени отдельных элементов, сборочных единиц и блоков ЭС, для механической фиксации их в аппаратуре.

К этой группе герметизирующих материалов относятся пенополиуретаны (ПУ-101Е, ПГУ-ЗМ-1), вспенивающийся полистирол (ПСВ), кремнийорганический пенопласт (К-40) и др.

Эмалями называются составы, в которые кроме пленкообразующих веществ. введены частицы наполнителей и пигменты. Они широко применяются при отделочных работах при герметизации изделий.

Структура процесса герметизации приведена на рис. 19.1

Рис.19.1

ЛЕКЦИЯ 20

ОБЩАЯ СБОРКА И МОНТАЖ ЭС

Структура технологического процесса общей сборки и монтажа ЭС

Технологическим процессом сборки называется совокупность операций, в результате которых детали соединяются в сборочные единицы, а сборочные единицы в изделие. Изделием называется любой предмет или набор предметов, подлежащих изготовлению на предприятии.

Изделия основного производства предназначены для поставки, а вспомогательного производства только для собственных нужд.

Виды изделий. Устанавливаются следующие виды изделий: детали, сборочные единицы устройств, комплексы и комплекты.

Деталь – изделие, изготовляемое из однородного по наименованию и марки материала, без применения сборочных операций.

Сборочная единица – изделие, составные части которого подлежат соединению между собой на предприятии изготовителе с помощью сборочных операций.

Блок элементов – первичная конструкторская единица, не имеющая самостоятельного эксплуатационного назначения и используемая для построения ЭС.

Устройство – функционально законченное изделие, выполняющее определенную функцию получения, передачи, преобразования информации, не имеющее самостоятельного эксплуатационного назначения.

Комплект – это два изделия и более не соединенные на предприятии изготовителем сборочными операциями и представляющих набор изделий, имеющих общее эксплуатационное назначение вспомогательного характера, например, комплект измерительной аппаратуры, комплект запасных частей.

Субкомплекс – часть комплекса, выделенная функционально, территориально или конструктивно.

Агрегатный модуль предназначен для компоновки устройств, субкомплексов и комплексов. Он состоит из приборов, блоков и элементов, но представляет неделимое изделие для потребителя.

Изделия агрегатной системы ЭС вычислительной техники на основе микроэлектронных схем, предназначенные для построения и эксплуатации вычислительных комплексов, изготавливаются согласно ГОСТ 20397-82 следующих видов: субкомплексы, устройства, агрегатные модули, блоки элементов и др.

Типовой процесс ТП общей сборки и монтажа ЭС приведен на рис.19.2.

Схема сборки

Схема сборки представляет собой графическое изображение в виде условных обозначений последовательности сборки изделия или его составной части. Каждый элемент (деталь, сборочная единица) изображается на схеме прямоугольником, где указывается наименование элемента, индекс и число, входящее в данное соединение. Схемы сборки строятся с максимальным расчленением изделия на сборочные единицы независимо от программы выпуска.

В программе используют схемы сборки с базовой деталью и “веерного” типа.

Схема сборки с базовой деталью (рис.19.3) отражает последовательность процесса сборки. Базовой деталью является плата, панель или другая деталь, с которой начинается сборка. Направление движения деталей и узлов показаны стрелками.

Схема сборки “ веерного” типа (рис.19.4) показывает из каких деталей образуется сборка. Достоинством такой схемы является ее простота и наглядность, но она не отражает последовательность сборки.

Различают стационарную и подвижную сборку.

Стационарная сборка выполняется на одном рабочем месте, к которому подаются все необходимые детали и сборочные единицы. Она является наиболее распространенным видом сборки в условиях единичного и серийного производства.

Стационарная сборка по принципу дифференциации целесообразно при значительной трудоемкости сборочного процесса или большой программе по отдельным видам изделия.

Рис.19.2.

Сб2-2

Рис.19.3.

3-я

ступень

2-я

ступень

1-я

ступень

Рис.19.4.

Подвижная сборка выполняется при перемещении собираемого изделия от одного сборочного места к другому. На каждом рабочем месте выполняется одна повторяющаяся операция. Такая форма сборки применяется в условиях поточного производства. Она может осуществляться двумя способами:

1) со свободным движением собираемых объектов, перемещаемых от одного рабочего места к другому вручную или при помощи механического транспортера;

2) с принудительным движением собираемых объектов, которые перемещаются посредством конвейера при строго рассчитанном режиме.

Процесс сборки осуществляется непосредственно на конвейере. Поточная сборка является основной формой, применяемой в серийном и массовом производстве. Переход на поточные методы повышает производительность труда за счет технических и организационных мероприятий, а также сокращает длительность производственного цикла и размер незавершенного производства

Стационарная сборка может строится по принципу концентрации и дифференциации. При концентрации весь сборочный процесс выполняется одним сборщиком, а при дифференциации разделяется на предварительную и окончательную. Предварительная сборка осуществляется несколькими отдельными бригадами параллельно, а окончательная сборка – специальной бригадой или одним рабочим. Это обеспечивает специализацию рабочих и сокращает длительность сборки.

КОНТРОЛЬ ЭС

Системы контроля можно разделить на: программные, аппаратурные и программно-аппаратурные.

Программный контроль разделяют на программно-логический и тестовый.

Программно-логический контроль заключается в том, что при составлении программы в нее включаются дополнительные операции, имеющие математическую связь с алгоритмом основной задачи. Однако это не всегда удается, так как не всегда удается находить удобные соотношения, требующие небольшого числа контрольных операций, а в ряде случаев они вообще не осуществляют. Поэтому применяют двойной пересчет. В качестве контрольного соотношения принимают совпадение результатов первого и второго пересчета. Двойной пересчет не позволяет устанавливать причину ошибки и не всегда обнаруживает систематические ошибки.

Тестовый контроль – периодический контроль ЭС с помощью специальных испытательных программ (тестов). Анализ результатов прохождения тестов позволяет судить о состоянии ЭС. В зависимости от назначения применяют тесты: наладочные, проверочные, контрольные, диагностические и др.

Наладочные тесты служат для выявления грубых ошибок (в монтаже, логике работы отдельных блоков и др.).

Проверочные тесты используют в процессе эксплуатации ЭС для оценки ее работоспособности и поиска неисправностей. Они обеспечивают достаточно полный контроль и включают в себя ряд обслуживающих операций, которые облегчают поиск неисправности.

Контрольные тесты выполняются через определенные интервалы времени: они проверяют работоспособность ЭС, работающие в остальное время в обычном режиме.

Диагностические тесты обеспечивают ускорение поиска неисправностей с указанием ее места. Между проверяющими и диагностическими тестами нет четкой разницы. Как правило, диагностические тесты строятся на базе проверяющих, то есть используют сведения о состоянии устройства, полученные в результате применения проверяющих тестов.

Программные методы контроля не требуют дополнительной аппаратуры и могут применяться в любом ЭС, где предусмотрено программное управление функционированием.

Аппаратурный (схемный) контроль ЭС связан с введением в его структуру дополнительного оборудования, предназначенного для обнаружения ошибок при переработке информации. Примером схемного контроля может служить широко используемый способ “четности” для проверки передачи информации между устройствами ЭС.

Программно-аппаратурный контроль обладает достоинствами обоих методов контроля. Обнаружение ошибок выполняется средствами аппаратурного контроля, а сами ошибки устраняют специальной программой, которая включается в работу по сигналу ошибки, вырабатываемому аппаратными средствами. Основное время функционирования ЭС в этом случае снижается незначительно, так как контрольная программа включается редко, в тоже время объем дополнительного оборудования становится значительно меньше.

Дата добавления: 2014-12-16