Разработка технологии сборки и монтажа ячейки трехкоординатного цифрового преобразователя перемещения

пайка ячеек с высокой плотностью компоновки компонентов, с размерами КП до 25 мкм, без образования перемычек на соседние соединения или их повреждения;

· при использовании хорошо просушенной припойной пасты, выполненные с помощью лазерной пайки паяные соединения, не образуют шариков припоя или перемычек, в результате чего отпадает необходимость применять паяльные маски;

· при использовании лазерной пайки нет необходимости в предварительном подогреве многослойной ПП, что обычно необходимо делать при пайке в ПГС для предотвращения расслоения платы;

· не требуется также создавать какую-либо специальную газовую среду. Процесс пайки ведется в нормальной атмосфере без применения инертных газов [2].

Пайка ИС в корпусе BGA

Перед началом процесса пайки (см. рис. 16, а) сферические выводы BGA позиционированы по контактным площадкам печатной платы. Нижняя плоскость корпуса BGA параллельна плате. Форма выводов BGA – правильная сферическая, поверхность гладкая, слегка матовая. Процесс оплавления выводов начинается при температуре 183 °C. Под действием сил гравитации происходит первичное «оседание» BGA расстояние между корпусом и платой сокращается до 0,8 мм, форма выводов становится бочкообразной, а поверхность выводов тускнеет, оставаясь гладкой (см. рис. 16, б). По достижении пиковой температуры пайки происходит полное оплавление выводов и смачивание контактных площадок платы припоем. Происходит вторичное «оседание» BGA высота выводов еще раз уменьшается (в примере до 0,5 мм), результирующая форма выводов, поддерживаемая силами поверхностного натяжения, – сплющенная эллиптическая. Поверхность выводов – гладкая блестящая (см. рис. 16, в). При корректном соблюдении технологии пайки все выводы BGA трансформируются в порядке, показанном на рис. 16, г [8].

Наиболее опасно повышение температуры пайки с позиций термомеханических напряжений, возникающих из-за разницы температурного расширения материалов, участвующих в межсоединениях (см. рис. 17).

Рис. 16. Пайка ИС в корпусе BGA: а – позиционирование выводов BGA перед началом процесса пайки; б – начальная стадия оплавления выводов; в-полное оплавление выводов и смачивание КП платы припоем; г – порядок трансформации выводов BGA при соблюдении технологии пайки

Если не принять меры к использованию материалов с повышенной температурой стеклования, термомеханические напряжения могут привести к усталостным разрушениям паек.

Рис. 17. Термомеханические напряжения в паяных соединениях BGA-компонентов

Обоснование выбора способа пайки для ячейки ИММТ

Для пайки ПМК рекомендуется выбрать ПОДП с комбинированным нагревом (ИК + конвекция) (см. рис. 18). При использовании воздуха в качестве средства для передачи тепла конвекция идеальна для нагревания компонентов, которые «выступают» из платы, таких, как выводы и маленькие детали. Однако при этом образуется пограничный слой между горячим воздухом и платой, который делает подачу тепла к последней неэффективной. При ИК-нагреве инфракрасные нагреватели передают энергию путем электромагнитного излучения, которое будет равномерно нагревать компоненты при правильном управлении. Однако при отсутствии правильного управления может произойти перегрев платы и компонентов. Наиболее передовые современные печи используют достоинства обоих методов нагрева.

Рис. 18. Температурно-временной профиль ПОДП с комбинированным нагревом (ИК+конвекция)

Основным принципом совмещения ИК-излучения и принудительного конвекционного нагрева является использование излучения в качестве основного источника нагрева для оптимальной передачи тепла и использование свойств равномерного нагрева при конвекции для уменьшения разницы температур между компонентами и печатной платой.

Так как ТМК в ячейке ИММТ мало, и располагаются они близко к другим видам компонентов необходимо использовать ручную пайку, например, с помощью вакуумного микропаяльника.

5. Технологические среды для сборки и монтажа ЭВС

Ячейки современных ЭУ преимущественно включают смешанный набор ЭРК (то есть ТМК и ПМК), причем доля ПМК в них постоянно увеличивается, поэтому важно рассмотреть не только некоторые специфические особенности сборки и монтажа ПМК на ПП, но и технологические среды, используемые на этапе создания сборочных единиц с применением ПМК [1].

Выбор флюса

Паяльные флюсы – это вещества как органического, так и неорганического происхождения, с неметаллической связью, которые предназначены для удаления окисной пленки с поверхности паяемых изделий.

Пайку и монтаж радиоэлектронной аппаратуры выполняется с применением только флюсов, остатки которых негигроскопичны, не электропроводны и не вызывают коррозий [2].

Краткая характеристика наиболее распространенных флюсов приведена в табл. 6.

Принимая во внимание простоту изготовления и то, что изделие является специальным, возможно порекомендовать флюс КСп.

Выбор припоя

В качестве припоя для ячейки ИММТ возможно порекомендовать ПОС-61 ГОСТ1499. Как видно из табл. 7, ПОС-61 имеет сравнительно низкую температуру плавления (183оС) и сравнительно высокий предел прочности на растяжение. Следовательно, не будет перегрева компонентов, что обеспечит надежное их крепление.

Таблица 6. Характеристики флюсов

Марка	Состав	Область применения
ФКСп	Сосновая канифоль 60–90%, спирт 10–40%.	Пайка и лужение деталей и проводников в изделии специального назначения.
ФКТC	Сосновая канифоль 10–40%, спирт 89–59%, тетрабром остальное.	Пайка и лужение контактных соединений и поверхностей в изделии специального назначения.
ЛТИ-120	Сосновая канифоль 15–30%, спирт 76–68% деэтиламин остальное.	Пайка и лужение деталей и проводников в изделиях широкого применения.
ФДГ	Деэтиламин 4–6% глицерин остальное.	Групповая пайка деталей, оплавление после гальванического лужения.
ФЦА	Хлористый цинк 45%, хлористый аммоний 9%, вода остальное.	Предварительное лужение поверхностей при условии полного удаления флюса.

Таблица 7. Характеристики припоев

Марка припоя	Химический состав, вес %				Температура плавления, °С	Рабочая температура ванн, °С
	Sn	Pb	Sb	Bi
ПОС-61	61	38,4	0,5	0,1	183	220–240
ПОСВ-50	25	25	-	50	91	130–140
ПСрОС3–58	58	38,5	0,5	-	185	225–235
ПОВи0,5	99,4–99,6	-	-	0,4–0,6	224–232	-

Выбор очистителя

Очистные жидкости предназначены для отмывки изделий от флюса после пайки. При выборе очистной жидкости следует учитывать состав остатков, ее растворяющую способность, рабочую температуру, время и условия отмывки, влияние на элементы конструкции, токсичность и пожароопасность. Водорастворимые флюсы отмывают в проточной горячей (60..800°С) и холодной воде с помощью мягких щеток. Канифольные флюсы в процессе индивидуальной пайки промывают этиловым (изопропиловым) спиртом; при групповой пайке применяют ультразвуковую очистку или очистку щетками в спирто-бензиновой смеси (1:1); трихлорэтилене или хлористом метилене. Хорошие результаты достигаются при использовании фреона или смесей на его основе. Но он экологически опасен [10].

Для ячейки ИММТ больше всего подходит спирто-безиновая смесь. Она относительно дешевая и доступная.

Выбор клея

Выбор адгезива в первую очередь определяется методом его нанесения на плату. Принципиальным моментом в определении пригодности выбранного адгезива является его способность формироваться в виде капли, заполняющей самый большой встречающийся промежуток между компонентом и платой и в то же время не растекающейся из-под самых малогабаритных компонентов после нанесения. Адгезив должен быть относительно жидким для удобства нанесения из шприца при минимальном давлении и в то же время быть достаточно вязким, чтобы не вытекать самопроизвольно и не оставлять следа. Также очень важно время отверждения адгезива и его свойства после отверждения. Все эти требования необходимо учитывать при выборе адгезива.

Перспективными являются адгезивы, представляющие собой акрилатноэпоксидную систему, отверждающуюся при воздействии ультрафиолетового (УФ) излучения с последующей термообработкой в конвекционной или ИК печи в течении 3–5 мин. при температуре менее 383 К. Однако чаще всего для ПМК применяются клеи на основе эпоксидных смол, которые имеют довольно низкую температуру отверждения, малый уровень ионных загрязнений, малые деформации при сдвиге и большую прочность, чем припои [3].

Защитные покрытия

При разработке ЭУ, необходимо учитывать защиту коммутационных компонентов КП от затекания на них припоя из зоны пайки, чтобы избежать случайных замыканий. Кроме того, защитное (конформное покрытие) предохраняет поверхность платы от механических повреждений, проникновения влаги, загрязнений (особенно ионогенных) и др.

Климатические факторы, влияющие на процессы деградации в микроэлектронной аппаратуре (МЭА) (см. рис. 19), достаточно взаимосвязаны между собой и весьма сильно ускоряют протекание разрушающих электрохимических реакций. В нормальных климатических условиях процессы деградации протекают медленнее [10].

Печатные узлы повышенной надежности должны выдерживать следующие воздействия атмосферной среды:

· повышенная влажность в течение длительного времени;

· частые перепады температуры;

· химические загрязнения (сернистый газ, хлориды, аммиак);

· солнечная радиация.

Влагозащитные покрытия призваны уменьшить влияние этих факторов на деградационные процессы в МЭА [2].

Для обеспечения защиты смонтированного ЭУ в качестве конформного покрытия рекомендуется использовать парилен, который можно наносить на всю поверхность КП после монтажа на ней компонентов.

Чаще всего материалами защитных покрытий являются лаки на основе полиуретановых, эпоксиамидных и других органических смол.

6. Разработка алгоритма реализации основных этапов ТП сборки и монтажа ячейки ИММТ

На основании выбранных материалов и оборудования для сборки и монтажа ячейки ИММТ можно составить алгоритм реализации основных этапов технологического процесса ее изготовления. Разработка данного ТП осуществляется с целью определения наиболее рационального способа изготовления устройства с учетом полного использования технических возможностей производства при наименьших затратах труда.

Сборка и монтаж ячейки ИММТ осуществляется по варианту 3 г. (см. рис. 4). Начальным является этап входного контроля компонентов. Компонент, не прошедший входной контроль, отправляется в изолятор брака, с последующим предъявлением претензий производителю. Компоненты, прошедшие контроль подготавливаются к установке на ПП. После подготовительных операций всех компонентов и ПП осуществляется трафаретная печать припойной пастой с одной стороны ПП и сборка ПМК с фиксацией. Далее осуществляется операция контроля качества сборки, которая призвана проверить качество трафаретной печати, точность позиционирования ПМК и др. Затем после операции контроля качества осуществляется переворот ПП, и припойная паста наносится через трафарет со второй стороны ПП. Затем осуществляется сборка ПМК на второй стороне ПП с фиксацией. После очередной операции контроля качества произведенной сборки осуществляется операция монтажа ПМК на ПП с двух сторон ПОДП с комбинированным нагревом. Затем в ручную на ПП устанавливаются ТМК и прочие конструктивы. Их монтаж осуществляется с помощью паяльной станции. Необходимо отметить, что после каждой операции монтажа необходимо применять операции очистки смонтированного объекта для удаления остатков флюса и других загрязнений, чтобы максимально исключить их влияние на характеристики изготавливаемого изделия. Затем, производят нанесение влагозащитных покрытий с целью уменьшения вероятности возникновения коротких замыканий, дендритов, грибковых образований и т.д. Затем осуществляется выходной контроль всего изделия. Следует отметить, что после каждой контрольной операции изделие, не прошедшее контроль, отправляется в изолятор брака, где выявленный дефект пытаются устранить. Изделия с не устранимыми дефектами отправляются в изолятор брака, а исправленные изделия передаются на технологические операции.

Для гарантии качества и надежности ячейки необходимо максимально автоматизировать сборочно-монтажные работы, а также операции контроля с применением автоматизированных систем управления (АСУ). Все эти требования были учтены при создании алгоритма для ячейки ИММТ.

7. Оценка технологичности ячейки ИММТ

Исходные данные для оценки технологичности ячейки ЭУ приведены в табл. 8.

Таблица 8. Исходные данные для оценки технологичности ячейки ИММТ

№ п/п	Исходные данные	Обозначения	Численные значения
1	Количество монтажных соединений, получаемых с применением автоматизации	НА	805
2	Общее число монтажных соединений	НМ	819
3	Общее количество ИС в ячейке	НИС	40
4	Общее количество ПМК в ячейке	НПМК	805
5	Количество ПМК, подготовка которых автоматизирована	НАПпмк	805
6	Общее количество операций контроля и регулировки ячеек	НКР	11
7	Общее количество типоразмеров НК в ячейке	НТнк	11
8	Количество типоразмеров оригинальных НК в ячейке (*)		3
9	Общее количество деталей (кроме НК) (**)	Д	8

Определение частных показателей технологичности

Частные показатели технологичности и формулы их расчета приведены в табл. 9.

Таблица 9. Определение частных показателей технологичности

№ п/п	Коэффициенты технологичности		Обозначения	Формулы расчёта	Численные значения
1	Коэффициент использования ИС		КИС		0,05
2	Коэффициент автоматизации монтажа		КАМ		0,98
3		Коэффициент автоматизации подготовки ПМК	КАПпмк		1
4		Коэффициент повторяемости ПМК	КПОВпмк		0,98
5		Коэффициент применяемости ПМК	КПпмк		0,27

Функция, нормирующая весовую значимость коэффициентов технологичности, определяется как:

при этом величина i выбирается по числовому значению каждого коэффициента.

Результаты расчётов в последовательности, учитывающей весовую значимость, приведены в табл. 10.

Таблица 10. Результаты расчёта коэффициентов технологичности с учётом их весомости

Весомость	Коэффициенты технологичности	Обозначения Кi	Численные значения Кi	Численные значения Фi	Численные значения Кi*Фi
1	Коэффициент автоматизации монтажа	КАМ	1	1	1
2	Коэффициент повторяемости НК	КПОВнк	0,98	1	0,98
3	Коэффициент автоматизации подготовки НК	КАПнк	0,98	0,75	0,73
4	Коэффициент применяемости НК	КПнк	0,27	0,5	0,13
5	Коэффициент использования ИС	КИС	0,05	0,31	0,01

еКi*Фi=2,85; еФi=3,23.

Определяем комплексный показатель технологичности:

Нормативный показатель технологичности для мелкосерийного производства ЭУ составляет КН = 0,6 – 0,7. Сравнивая рассчитанный комплексный показатель с нормативным, т.е. К ≥ КН делаем вывод, что разрабатываемое изделие считается высокотехнологичным.

8. Вопросы обеспечения надежности ЭУ

Вопросы, касающиеся обеспечения надежности ЭУ требуют компромиссных решений, что создает серьезные проблемы разработки. Эффективность управления ТП и контроля качества ЭУ снижается по нескольким причинам:

из-за роста числа и значимости факторов, определяющих качество как ПМК, так и ЭУ, что является следствием уменьшения размеров элементов и компонентов ЭУ, так как при этом становятся значимыми несовершенства структуры материалов и самих элементов, микрорельефность, а также физико-химические воздействия границ их поверхностей, процессы взаимодиффузии, электромиграции, капиллярные явления и др.;

из-за влияния конструктивных особенностей ЭУ на выход годных изделий, что является следствием большого разнообразия ПМК и соответственно требований к точности их позиционирования, точности дозировки припоя, количества тепла для его оплавления и т.д.;

из-за снижения полноты проверки СБИС (УБИС) и ЭУ вследствие существенного увеличения наборов комбинаций входных сигналов при тестировании, обеспечивающем полную и достоверную оценку качества их функционирования в условиях все возрастающей трудоемкости контроля;

из-за повышения сложности и разнообразия измерительной оснастки, индивидуальных средств тестирования, а также индивидуальных измерительных программ вследствие расширения сферы применения ЭВС в плохо поддающихся управлению в условиях эксплуатации, что требует поиска новых подходов к обеспечению качества и надежности ЭУ, в том числе в неуправляемых или минимально управляемых условиях эксплуатации.

Мероприятия, необходимые в ТПМ, выполнение которых обеспечивает требуемую надежность:

организация и освоение гибких интегрированных производственных систем с комплексной системой управления качеством изготавливаемых объектов и аттестацией производства;

использование имеющихся интегрированных дискретных компонентов и суперкомпонентов, а также разработка новых позволяющих уменьшить число паяных и сварных соединений в конструктивах ЭУ;

совершенствование имеющихся и разработка новых методов и средств бесконтактного технологического контроля для оценки качества объекта производства на всех его этапах;

разработка общих и индивидуальных встроенных в ЭУ средств самоконтроля, самотестирования и саморегулирования;

использование новых схемотехнических и конструкторско-технологических решений для регулирования тепломассообмена в ЭУ;

широкое использование статистического контроля и моделирования для оценки проектируемой, технологической и эксплуатационной надежности.

Выводы

В рамках курсовой работы был проведен анализ ТП сборки и монтажа ЭУ. На его основе был сделан выбор варианта сборки и монтажа ячейки ИММТ. Проанализировав методы и способы реализации ТП сборки и монтажа, для данной ячейки был произведен выбор технологического оборудования, материалов и технологических сред. Для ячейки ИММТ была проведена разработка общего алгоритма ТП сборки и монтажа и маршрутной карты. Дана оценка технологичности данной ячейки.

Однако, вариант узловой сборки и монтажа ΙΙΙ, г является самым сложным по трудоемкости и дорогостоящим. Для улучшения качества и эксплуатационной надежности рекомендуется все 100% навесных компонентов выбирать только для поверхностного монтажа, что позволит осуществить гибкую автоматизацию всех сборочно-монтажных процессов, используя встроенные средства активного технологического контроля.

Список используемой литературы

Заводян А.В., Грушевский А.М. Поверхностный монтаж для производства высокоплотных электронных средств – М.: МИЭТ, 2006. – 276 с.

Сейсян Р.П. Принципы микроэлектроники. – СПб.: ЛГТУ, 2003. – 110 с.

Технология и автоматизация производства радиоэлектронной аппаратуры. / Под. ред. А.П. Достанко и Ш.М. Чабдарова – М.: Радио и связь, 1989. – 624 с.

Дефекты, возникающие при пайке компонентов поверхностного монтажа // Поверхностный монтаж, №1, 2006. с. 26–27.

Заводян А.В., Волков В.А. Производство перспективных ЭВС: Учебное пособие. Ч. 2 – М.: МИЭТ, 1999. – 280 с.

Мэнгин Ч.Г., Макклелланд С. Технология поверхностного монтажа. Будущее технологии сборки в электронике. – М.: Мир, 1990. – 176 с.

Монтаж на поверхность. Технология. Контроль качества. / Под. ред. И.О. Шурчкова. – М.: Издательство стандартов, 1991. – 184 с.