2. ИЗУЧЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОВЕРХНОСТНОГО МОНТАЖА
НА ПРИМЕРЕ БЛОКА СЕЛЕКТОРА КАНАЛОВ СКВ - 410
Сборка плат селекторов каналов включает следующие этапы:
- комплектовочная;
- нанесение припойной пасты;
- посадка на плату поверхностно монтируемых элементов;
- оплавление припойной пасты;
- контроль сборки компонентов;
- исправление брака;
- монтаж;
- установка ЭРЭ;
- пайка установленных ЭРЭ двойной волной припоя.
Изделия с поверхностным монтажом все еще являются новыми для многих производств и более сложны для освоения, чем процессы монтажа корпусов с радиальным и аксиальным расположением выводов, а также DIР-корпусов. Для успешного освоения ТПМК и обеспечения высокого выхода годных изделий особенно важным является овладение спецификой химико-металлургических процессов их производства.
Использование припоя для поверхностного монтажа затруднительно технологически, поэтому лучше использовать припойные пасты. Для поверхностного монтажа, предлагается использовать паяльную пасту улучшенного состава, в которой припой содержит 59% частиц из чистого Sn и 41% частиц из сплава 10% Sn 90% Pb диаметром 150 мкм. По достижении температуры +1830С припой еще не расплавляется в течении 12с, что обеспечивает более высокое поверхностное натяжение припоя на контактных площадках и предотвращает перетекание припоя.
В настоящее время отсутствуют стандартизированные методы нанесения паяльных паст при ТМП. Используются как простейшие методы нанесения, так и весьма сложные с применением дорогостоящего, высокопроизводительного оборудования. Выбор способа нанесения определяется как параметрами самих паст, так и характеристиками топологии плат и требуемой производительностью процесса. Применяют на практике нанесение паст с помощью различных видов дозаторов, игл, шприцов и т. д., вручную или с помощью полуавтоматов, а также методом трафаретной печати с помощью сетчатых трафаретов, металлических шаблонов или их комбинации.
При трафаретной печати применяют трафарет-элемент, состоящий из жесткой рамки, на которой натянута металлическая и неметаллическая сетка. Сетка служит несущей конструкцией для рисунка топологии контактных площадок платы, получаемого на фоточувствительной эмульсии, которая наносится на сетку и имеет определенную толщину. Толщина слоя пасты на плате определяется суммой толщин сетки и эмульсии.
Для нанесения припойной пасты используются ракели. Имеются существенные различия в конструкциях ракелей, используемых при изготовлении ТМП и ГИС. Для получения качественных отпечатков на большой поверхности при высокой повторяемости при ТМП применяют металлические ракели ромбовидного либо прямоугольного сечения с алмазным покрытием [2].
В настоящее время разработаны высокоточные автоматы-укладчики и системы технического зрения для контроля правильности позиционирования компонентов на контактных площадках платы.
Основные тенденции современного развития конструирования и производства электронных устройств оказывают влияние на разработку последнего поколения автоматизированного сборочно-монтажного оборудования:
- Повышение гибкости автоматизированного оборудования означает сокращение времени его непрерывной работы и сокращение объемов партий изделий. Уровень гибкости оборудования характеризуется количеством одновременно работающих монтажных головок и номенклатурой монтируемых компонентов.
- Высокий выход годных изделий обеспечивается оборудованием с повышенными технологическими характеристиками; так, например, уровень дефектности сборок, соответствующий (100—1000)10-6 обеспечивается широким использованием программ управления процессом сборки, позволяющих укладчику осуществлять выбор требуемого компонента и замену дефектного с использованием встроенной системы машинного зрения.
- Проектирование прецизионных технологических процессов с повышенным уровнем автоматизации сборочного оборудования для сложных изделий с высокой плотностью монтажа стимулирует разработки интегрированных сборочно-монтажных комплексов.
- Широкое использование сложных корпусов компонентов [с шагом выводов 0,050. и 0,025 дюйма (1,27 и 0,635 мм)] требует высокопрецизионных роботизированных установок с небольшой производительностью или автоматов индивидуального обслуживания.
Это оказало существенное влияние на выбор оборудования для ТПМК. Для окончательного выбора приборов были рассмотрены следующие критерии:
- Сложность конструкции платы.
- Метод позиционирования.
- Производительность.
- Стоимость.
С целью повышения точности позиционирования перед установкой компонента на поверхность платы производят его центровку. Существуют три метода центровки при вакуумном схвате (присосе) компонентов. В первом используются четыре механических центрирующих захватывающих щупа, работающих во время переноса компонента. Они центрируют компонент и раскрываются непосредственно при позиционировании. Недостаток этого метода состоит в том, что каждая сторона компонента требует собственного захватывающего щупа. Второй метод центрирования предполагает использование дополнительных центрирующих щупов-захватов, не входящих в состав монтажной головки. Сначала с помощью монтажной головки компонент устанавливается на центрирующее приспособление для выравнивания его положения относительно заданного; затем компонент снова захватывается и размещается на ПП. Недостаток этого метода заключается в том, что при его реализации требуется повторная операция захвата-отпускания компонента. Самые прогрессивные автоматы-укладчики не требуют применения центровки. В этом случае система технического зрения осуществляет контроль размещения корпуса под вакуумным захватом и корректирует место положения монтажной головки относительно расположения знакоместа на коммутационной плате. Механические центрирующие щупы заменены встроенной видеокамерой и компьютером. Этот метод не имеет явных недостатков и, как ожидается по прогнозам, он станет самым распространенным в ближайшем будущем.
В технике поверхностного монтажа компонентов различают четыре способа позиционирования компонентов:
Конвейерное позиционирование. Плата движется по конвейеру вдоль нескольких модулей позиционирования. Каждый модуль осуществляет размещение одного типа корпусов.
Последовательное единичное либо групповое позиционирование. Одна или две управляемые от ЭВМ монтажные головки выбирают компоненты из питателей и устанавливают их на плате. В некоторых автоматах подвижная головка перемещается в двух направлениях (X и Y), в то время как в других автоматах под неподвижную головку подводится подвижный стол для позиционирования компонентов.
Последовательно-параллельное позиционирование. В этом случае автоматы имеют координатный столик и последовательно расположенные монтажные многозахватные головки. Монтажные головки расположены на центральной поворотной (башенной) головке. Каждая монтажная головка захватывает требуемый компонент из читателя и размещает его на плате.
Массовое позиционирование многозахватные головки за один прием устанавливают на плату большой набор компонентов. За одну операцию ими заселяется часть или вся плата.
При большом количестве несложных однотипных плат желательно иметь максимальную скорость сборки, при этом при переходе на плату другого типа время перезарядки питателей автомата не играет существенной роли. При многономинальном производстве это время существенно. В идеале автомат должен быть загружен КМП всех типов и всех номиналов, подача которых регулируется ЭВМ.
Из условия производительности, а также точности позиционирования элементов с учетом использования большой номенклатуры различных компонентов самой оптимальной является установка МСМ-VII фирмы Philips. В установке используется двухкоординатный стол с линейными двигателями на воздушной подушке, обладающие высоким быстродействием, малой массой, прочной конструкцией по сравнению со столами других типов.
Установка поверхностного монтажа служит для установки SMD-элементов на поверхности плат РСВ по программе и состоит из модуля размещения РМ и центрального компьютера СС. Установка МСМ-VII может состоять из нескольких модулей размещения (от 1 до 14 модулей РМ). Одиночный модуль РМ может монтировать до 112 различных SMD - элементов, которые находятся в лентах (бобинах).
Транспортный механизм модуля имеет возможность менять ширину транспортера для обработки различных плат, что придает этой установке гибкость в обработке плат РСВ разных размеров.
Модуль РМ может обрабатывать различные SMD - элементы в диапазоне корпусов от 0603 до интегральных микросхем SO-16. Для чего модуль РМ укомплектован различными механизмами:
механизм переноса SMD элементов (пипетка)
механизм подачи SMD элементов (питатель)
(где укреплены SMD элементы на бобинах).
Количество одновременно захватываемых элементов – до 28 шт., пипетки имеют возможность поворачивать SMD элементы от 0 до 360о.
Размеры обрабатываемых плат:
- Х направление (мм)
- Y направление (мм)
- толщина (мм) 0,8 - 3,2
Погрешность размещения SMD-элементов:
по направлению X, Y ± 0,15 мм
по углу Q ± 2,5о
Производительность установки SMD элементов:
- одиночная плата PCB до 15000 эл/час
- две платы PCB до 25000 эл/час
- три платы PCB до 28000 эл/час
После монтажа элементов на плату, необходимо произвести оплавление припойной пасты, чтобы избежать смещение элементов на последующих стадиях технологического процесса.
Исторически первыми методами групповой пайки КМП явились пайки в паровой фазе и на плоских нагревателях. В настоящее время ведущее положение заняла пайка ИК излучением вследствие ее преимуществ, связанных с возможностью автоматического управления технологическим процессом (наличие нескольких температурных зон, получение любого профиля температуры вдоль зоны пайки и т. д.). Печь сушки и оплавления SEHO служит для сушки клея или оплавления паяльной пасты обработанной платы РСВ. Эта установка состоит из восьми зон нагревания и транспортной системы /11/.
Индивидуальные зоны нагрева расположены по четыре зоны сверху и по четыре зоны снизу транспортной системы перемещения продукции внутри печи. В печи имеются два контролера температур нагревания, с помощью которых выставляется необходимая температура нагрева 8 зон, а также контроль измеряемой температуры зон. Внутри печи выставляется необходимый температурный профиль, который обеспечивает предварительный нагрев, режим сушки (оплавления), режим охлаждения. На выходе транспортной системы имеется воздушный вентилятор охлаждения плат.
Устройство эффективной пайки без перегрева устанавливаемых на печатную плату деталей, особенно миниатюрных.
Достоинствами этой установки являются регулируемый температурно-временной режим пайки, возможность пайки только с одной стороны платы, низкая стоимость процесса пайки, низкие первоначальные капиталовложения /13/.
Технические данные печи SEHO.
1) Потребляемая мощность 13,5 квт
2) Напряжение сети ~ 220/380 в
3) Частота сети 50 Гц
4) Скорость движения конвейера 0,2-1,5 м/мин
5) Температура нагрева зоноС
6) Возможность программирования 8 зон нагревания.
За последние несколько лет требования к качеству электронных микросборок существенно возросли. Это объясняется двумя причинами: большими конечными потерями от некачественных изделий, а также возможностями ТПМК, позволяющими повысить выход годных изделий при первом их предъявлении. По мнению специалистов, наблюдается значительное возрастание в ТПМК уровня выхода годных микросборок. Нерешенной остается проблема затрат, касающаяся средств обеспечения этого высокого уровня выхода годных. Так, введение в технологический процесс либо автоматизированного, либо ручного контроля связано с неадекватными затратами. Поэтому оптимальным способом контроля будет принят частичный контроль. Контролироваться будет только внешний вид.
Контроль может реализоваться в ходе четырех основных этапов технологического процесса: нанесения припойной пасты, позиционирования компонентов, оплавления припойной пасты и проверки после пайки двойной волной припоя.
Очень важна оптимизация процесса трафаретной печати припойной пасты, поскольку трафаретная печать служит источником дефектов пайки [2] (перемычек и непропаев), а дефекты, связанные с пайкой, являются основной причиной браковки изделий на выходном контроле. Современные установки для позиционирования компонентов обладают достаточной точностью, обнаруживают пропуски компонентов и имеют центрирующие устройства в составе захвата или на позиции, предшествующей позиционированию.
Традиционная техника пайки волной припоя выполняется чаще всего погружением компонента в ванну с припоем. Для пайки на коммутационных платах компонентов обычно применяется метод расплавления дозированного припоя. Пайка расплавлением припоя в парогазовой фазе в настоящее время уступает место пайке с инфракрасным нагревом, лазерная же пайка пока не получила распространения. Ведущие поставщики сборочно-монтажного оборудования обычно включают установки для пайки в состав выпускаемых производственных линий.
