3.9 Разработка и анализ структурной схемы технологического процесса сборки функциональной ячейки блока управления ншр для пайки пп

Сборка функциональной ячейки (ФЯ) является важным звеном в цепи изготовления разработанного блока управления НШР для пайки ПП. При разработке конструкции в качестве ЭРЭ применены поверхностно монтируемые компоненты и компоненты, монтируемые в отверстия. Использование поверхностно монтируемых компонентов (ПМК) позволило заметно сэкономить в месте, значительно понизить стоимость затрат на установку, тестирование самих компонентов. Сборка компонентов на ПП состоит из подачи их месту установки, ориентации выводов относительно монтажных отверстий или контактных площадок, сопряжения со сборочными элементами и фиксация в требуемом положении. В зависимости от характера производства эти операции могут выполняться вручную, механизированными или автоматизированными способами.

При серийном производстве наиболее экономически выгодно применять автоматизированную сборку с использованием универсального быстро переналаживаемого оборудования. В электронной промышленности существует несколько общих типов сборки ПМК, каждому из которых соответствует свой порядок производства. Когда разработчик выбирает тип сборки, его целью должна быть минимизация числа операций, так как каждая операция может увеличивать промышленную стоимость. Существует специальный стандарт, в котором представлены основные виды сборок, разбитые по классам.

Существуют следующие классификации схем поверхностного монтажа:

• Тип 1 - монтируемые компоненты установлены только на верхнюю сторону;

• Тип 2 - монтируемые компоненты установлены на обе стороны платы;

• Класс А - только монтируемые в отверстия компоненты;

• Класс В - только поверхностно монтируемые компоненты;

• Класс С - смешанная: монтируемые в отверстия и поверхностно монтируемы компоненты;

• Класс Х - комплексно-смешанная сборка: монтаж в отверстия, поверхностный монтаж, компоненты с шариковыми выводами.

В разработанной конструкции блока управления НШР для пайки ПП применяется смешанная схема с ПМК и компонентами со штыревыми выводами, монтируемыми с обоих сторон ПП, схема печатной платы представлена на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 - Смешанная схема монтажа

Порядок проведения процесса:

1. нанесение припойной пасты;

2. монтаж ПМК на верхней части платы;

3. монтаж ПМК на нижней части платы;

4. пайка ПМК в конвекционной печи;

5. промывка платы;

6. монтаж штыревых компонентов на плату;

7. ручная пайка штыревых компонентов платы;

8. промывка платы.

Разработку структурной схемы начинается с входного контроля. При входном контроле осуществляется контроль радиоэлементов на наличие видимых повреждений и наличие маркировки.

Для крепления компонентов на печатную плату используется метод нанесения припойной пасты - наиболее широко используемый метод для установки компонентов, он заключается в том, что припойная паста наносится непосредственно на контактные площадки печатной платы. Существует два основных метода нанесения припойной пасты на контактные площадки: метод пневматических дозаторов и трафаретный метод. Метод нанесения припойной пасты, применяемый в опытном и серийном производстве – метод пневматических дозаторов (диспенсоров), в котором в качестве дозатора используется шприц, состоящий их цилиндрического корпуса с поршнем, который под давление сжатого воздуха выдавливает припойную пасту на контактные площадки.

Автоматическая дозировка осуществляется в соответствии с данными САПР при помощи сжатого воздуха. Паста поступает в виде "капель" непосредственно на контактные площадки печатной платы. Преимуществом диспенсорного метода является высокая гибкость его применения. Этим методом можно наносить пасту на контактные площадки толщиной от 0,75 мм.

В отличие от опытного в массовом производстве печатных плат, используется метод трафаретного нанесения припойной пасты, в котором паста продавливается через трафарет (окна) на контактные площадки печатной платы. Припойная паста уже содержит в себе и припой, и флюс, а их пропорция одна из важных характеристик пасты. Материалом трафарета может быть как сплав никеля, нержавеющая сталь, так и другие материалы. Отверстия в трафарете обычно прорезаются лазером или протравливаются.

В массовом производстве этот метод эффективен, но относительно не гибок, так как свой собственный трафарет (причем несколько) требуется для каждой платы. Гибкость достигается только за счет быстрой смены трафарета и автоматического распределения пасты. При проведении ракелем по поверхности трафарета припойная паста продавливается сквозь отверстия в трафарете на контактные площадки. Наиболее важной фазой этого процесса является продвижение пасты вдоль поверхности трафарета, она должна продвигаться с правильной силой, углом и скоростью. Трафарет и скребок должны быть чистыми и паста должна иметь строго определенные характеристики для этой силы, угла и скорости. Ошибки в этих параметрах приводят к плохим характеристикам пайки. Практика показывает, что больше половины ошибок всего процесса сборки печатных плат приходятся именно на процесс нанесения припойной пасты. Преимуществом метода трафаретного нанесения припойной пасты является то, что паста может быть нанесена слоем до 300 мкм с очень высокой точностью. Также трафарет позволяет наносить пасту толщиной до 0,65 мм.

Рассмотрев оба метода нанесения припойной пасты, выбираем метод автоматических дозаторов, т.к. он подходит для серийного производства, более гибок и универсален. После того как припойная паста нанесена на печатную плату, плата переносится на рабочее место для установки элементов на плату.

В условиях серийного производства плата закрепляется на автоматических установках монтажа компонентов и автомат по программе проводит установку всех компонентов. Основное преимущество таких монтажеров – их производительность, которая составляет до десятков тысяч компонентов в час, основной недостаток – очень высокая стоимость, и, как следствие, нерентабельность их использования в условиях опытного и мелкосерийного производства. Для небольших партий целесообразно использование ручных или полуавтоматических установок или паяльных станций, которые могут сразу включать в себя, и устройство для нанесения паяльной пасты, и вакуумный пинцет для установки компонентов и даже систему пайки горячим воздухом. Такие установки надежны, просты в эксплуатации и значительно ниже в цене по сравнению со своими более производительными собратьями. Производительность ручных и полуавтоматических установок монтажа компонентов достигает, в зависимости от опыта оператора, до 1000 компонентов в час. При сборке функциональной ячейки блока управления НШР для пайки ПП целесообразно применять ручной метод установки компонентов на плату, т.к. устройство планируется выпускать небольшими сериями и применение дорогостоящих автоматических линий установки компонентов нерентабельно.

Традиционная техника пайки волной припоя выполняется чаще всего погружением компонента в ванну с припоем. Для пайки на коммутационных платах компонентов в технологии ПМК обычно применяется метод расплавления дозированного припоя. Пайка расплавлением припоя в парогазовой фазе в настоящее время уступает место пайке с инфракрасным нагревом. Учет особенностей пайки на стадии проектирования изделий в сочетании с контролем режима процесса пайки снижает частоту появления дефектов на этапе пайки и очистки изделий. Появление на коммутационных платах поверхностно монтируемых компонентов существенно изменило технологию пайки. Пайка волной припоя была внедрена в 50-х гг. и до настоящего времени является единственным групповым методом пайки компонентов, устанавливаемых в отверстия коммутационных плат. Для пайки плат со смешанным монтажом был разработан метод пайки двойной волной припоя. Для оплавления паяльной пасты применена конвекционная пайка, как более дешевая при сравнении с ИК-пайкой, обеспечивающая хорошее качество пайки и рекомендованная производителями электронных компонентов.

Термопрофиль конвекционной печи представлен на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 - Термопрофиль конвекционной печи

Конвекционный метод пайки основан на нагреве воздуха в замкнутом объеме, за счет подачи в этот объем дополнительного горячего воздуха со скоростью, достаточной только для его перемешивания и выравнивания температуры во всем объеме. Не следует путать конвекционный процесс с работой обычного фена, осуществляющего нагрев компонента путём прямого обдува компонента потоком раскалённого воздуха. Производители электронных компонентов рекомендуют пайку своих изделий только конвекционным методом, так как только активная конвекция, т.е. перемешивание, позволяет обеспечить одинаковый температурный режим во всем объеме. При использовании других технологий, например, инфракрасного излучателя или термофена, можно говорить об измерении и отработке температуры только в одной или нескольких точках, при этом в других областях нагреваемого компонента температура может сильно отличаться.

При нагреве компонента горячим воздухом следует учитывать, что температура воздуха - в силу теплоотвода в плату и в атмосферу - должна быть значительно выше желаемой температуры нагреваемого компонента. Поэтому для нагрева установленного на плате компонента до температуры пайки (обычно 220°С) воздух должен быть нагрет не менее чем до 300°С.

Компонент представляет собой неоднородный объект. Поэтому скорость прогрева различных участков компонента неодинакова и различается приблизительно на 20%. (При инфракрасном нагреве ситуация усугубляется разной отражающей способностью различных поверхностей.) Пока самые холодные точки достигнут температуры пайки (обычно 220°С), наиболее горячие точки окажутся нагретыми до 260°С, что на 20°С превышает предельно допустимую температуру. Чтобы избежать разброса температур и риска повреждения компонента, применяют многозонную схему нагрева, один из принципов которой состоит в том, что компонент предварительно нагревают до 170°С, выдерживая его в этой зоне до полного выравнивания температур по всему объёму компонента. Для достижения температуры пайки компонент остаётся нагреть на 50°С, при этом самые горячие его точки не нагреются выше температуры 230°С.

Весь цикл нагрева компонента или печатной платы представляет собой последовательную отработку четырёх температурных зон:

• зона предварительного подогрева 100-140°С;

• выпаривание растворителя из флюса или паяльной пасты для исключения их разбрызгивания при пайке. Скорость повышения температуры керамических компонентов в этой зоне - не более 5°С/сек.;

• зона теплового насыщения до 170°С (для припоя с температурой плавления 183°С);

• выравнивание температуры по всему объему компонента, для уменьшения температурного разброса во время последующей пайки. Активизация и растекание флюса, растворение окисной пленки на контактах;

• зона пайки 220°C;

• расплавление и растекание припоя, содержащегося в паяльной пасте до полного смачивания контактов. Нагрев прекращают примерно через 10 сек. после момента полного расплавления припоя;

• зона охлаждения.

Именно по такому циклу работают все промышленные паяльные печи, и именно на такой режим пайки рассчитаны все поверхностные компоненты. В итоге на выходе конвекционной печи появляется функциональная ячейка с припаянными компонентами для поверхностного монтажа, которая проверяется на отсутствие непропаянных мест и передаётся на участок для пайки компонентов со штыревыми выводами.

В связи с малой номенклатурой и количеством компонентов со штыревыми выводами их пайка производится вручную методом контактной пайки. Пайку вручную применяют при изготовлении изделий небольшими сериями, а также при устранении дефектов соединений, возникших при групповой пайке, при выполнении ремонтных работ, когда необходимо выполнить монтаж и демонтаж элементов. Преимуществом ручной пайки является совмещение процесса пайки с визуальным контролем процесса. К недостаткам этого способа относятся низкая производительность и нестабильность параметров пайки. Выводы компонентов рихтуются и формуются с помощью пресса, где выводам элементов придаётся форма, способствующая установке их на одинаковой высоте и препятствующая проваливанию корпуса в отверстия контактных площадок. После пайки осуществляется контроль качества паяного соединения. Пайка соединений должна обеспечивать хороший электрический контакт и необходимую механическую прочность и отсутствие перемычек и сосулек.

Далее ФЯ проходит операцию ультразвуковой отмывки, где удаляются остатки флюса и загрязнения. По завершению плата блока управления НШР для пайки ПП проходит выходной контроль, где происходит проверка платы на соответствие техническим требованиям сборочного чертежа. Последним этапом является покрытие полиуретановым лаком УР-231 для защиты от внешних воздействий и передаётся на участок сборки изделия.