Заводян Лабораторный практикум

транзисторов)ктонкопленочным микросхемам.Дляэтогосначалаизвлечь пинцетомкристаллыизтары,аккуратнообрезатьножницамизолотыевыводы кристалла.Приобрезаниивыводовнадостремитьсясохранитьмаксимальную длину вывода у кристалла (длина вывода должна обеспечивать микроконтактированиеневнатяг,асострелойпровисаниянеболеетрех диаметровпроволоки).

Далее поместить кристалл в поле зрения микроскопа МБС-9 и сориентироватьегосоответственносборочномучертежу.Иглойнанестикапельку клеянаместоприклейкикристалла,азатем пинцетом аккуратноперенести кристаллнаместопосадкиивсоответствиисосборочнымчертежомприклеить его,слегкаприжавдеревяннойпалочкой.Аналогичноприклеитьвсекристаллы.

8.Собранныйузелпоместитьвтермошкаф"Электродело". Режимсушки:температура;T=80±10ºCвремяt=30мин. Поистечениивременисушкиизделиеизвлечьизтермостатаиперенести

нарабочееместодлямонтажа. 9.Произвестимикроконтактированиемикросхемыспомощьюустановки

импульснойпайки(сварки)сцелью отработкитехнологическогорежима.Для этого:

-ознакомитьсясправилами работы наустановкеимпульсной пайки (сварки);

-отработатьтехнология)пайки(сварки)навспомогательномч(нерабочем) образце,используя облуженную медную проволоку для пайки указанный преподавателемматериалпроволокидлясварки,выбравоптимальныережимы микроконтактирования.

Примечания. Режимы микроконтактирования согласовать с преподавателем.

Для каждого режима выполнить три пайки или микросварки (контактируетепроволочкидолжны бытьдлинойнеменее7мм),послечего оценитькачествомикроконтактированиявследующейпоследовательности:

-взятьпинцетом свободныйконецоднойизпроволочек,оторватьеев направлении,перпендикулярном плоскостиплаты (второйрукойнеобходимо придерживатьплату);

-вторую проволочкуоторватьаналогично,пользуясьпинцетом,нопод углом45°кповерхностиплаты;

-поместитьвспомогательныйобразецнастоликмикроскопаирассмотреть, вкакихместахпроизошелобрывпроволочек;

-оценитьпрочностьпаяного(илисварного)соединения,измеривусилие отрыватретьейпроволочки,пользуясьприспособлениемдляизмеренияусилия отрыва (граммометром либо любым другим прибором для количественной оценкикачествамикроконтактирования)

исравниврезультатыизмеренияскритерием,указаннымвописании,учитывая приэтомвнешнийвидполученногосоединенияихарактеротрыва.

10.Микроконтактированиевыводовнавесныхкомпонентов(кристаллов)с контактнымиплощадкамитонкопленочныхэлементовнаситаллевыполнитьв последовательности:

-поместитьсобранныйузелподприжимстоликамикроскопанарабочем местеустановкиимпульснойпайкиилисварка;

-проверитьэлементысхемывнешнимосмотромприувеличениивдвараза; -наблокепитанияустановкивыставитьрежим микроконтактирования,

соответствующийоптимальному; -провестимикроконтактированиевсехпроволочныхвыводов,включая

выводы кристалловсконтактнымиплощадкамиподложновсоответствиисо

71

сборочнымчертежом,удалитьспомощьюскальпелявыступающие(свободные) концыпроволочектак,чтобыониневыходилизапределыконтактныхплощадок.

I. Микроконтактироваяие тонкопленочных гибридных микросхем с печатной платой выполнитьспомощью облуженной медной проволоки на установкеимпульснойпайкивпоследовательности:

-поместитьузелподприжимстоликамикроскопаустановки; -выставить на блоке питания установки режим, соответствующий

оптимальному; -припаять проволочки к контактным площадкам печатной платы в

соответствиисосборочнымчертежом{см.рис.10); -удалить выступающие (свободные) концы проволочек с помощью

скальпеля. 12.Провестиконтролькачествапаяных(исварных)соединенийготового

изделийподмикроскопом(например,МБС-9)приувеличениив2ив16раз,а результатыконтролязанестивформутабл.2.

Примечания.При выполнении контроляучитывать,что в изделии не допускаются:

-каплиприпоянаплатах; -остатки проводников,загрязнений,а также флюса и продуктов его

разложения; -механическиеповрежденияпроводниковввидевмятин,перекручиванияи

другихвидовдеформаций; -изменениецветаконтактногосоединения; -обрывыпроводников; -натягпроводников;

-деформация проволоки в месте микросварки более 1,5 диаметра проволоки.

13.Визуальнопровестиконтрольправильностиэлектрических соединений,сравни!готовоеизделиесосборочным чертежом,посколькуэто важнаяоперацияпредшествующаяфункциональномуконтролю ирегулировке смонтированногофункциональногоузла.

14.Поместитьфункциональныйузелвтехнологическую таруи сдать преподавателю.

Требованиякотчету

Отчетдолжен;содержать; 1)титульныйлжет; 2)цельработы;

3)принципиальную электрическую схемуфункциональногоузлаиего сборочныйчертеж(см,рже.8-10);

4)заполненнуюформутабл,2;

5)выводы.

Контрольныевопросы

1.Какиевидыработвыполняетсяприсборкеимонтажекомпонентовна печатныхплатах?

2.Какосуществляетсяфиксациякомпонентовнапечатныхплатах?

3. Назовите конструктивно-технологические средства повышения

72

прочностиклеевыхсоединений. 4.Пояснитефизическуюкартинуобразованияэлектрическихсоединений,

изобразитеэлектрическуюсхемузамещениясварныхипаяныхсоединений. 5.Назовитеспособымикроконтактирования,используемыевтехнологии

изготовленияэлектронныхустройств.

6.Назовите основные способы получения электрических соединений сваркой,объяснитепроцессы,протекающиеприсварке.

7.Назовите основные способы получения электрических соединений пайкой,составыприпоевифлюсов.Объяснитемеханизмыобразованияпаяных соединений.

8.Как вы понимаете механизм флюсования при получении паяных соединений?

9.Чтотакоеконтактолы,ихсостав,свойстваиособенности применения?

10.Какие методы контроля качества сварныхи паяныхсоединений существуетвмикроэлектронике?

11.Оценитекачествосборкиимонтажаполученноговнастоящейработе образца.

12. Назовите критерии выбора оптимального режима микроконтактирования.

Рекомендуемаялитература

1.Технология ЭВА, оборудования и автоматизация/В.Г.АЛЕКСЕЕВ, В.Н.ГРИДНЕВ,Ю.И.НЕСТЕРОВидр.М.:Высшаяшкола,1984392с.

2.Технология и автоматизация производства радиоэлектронной аппаратуры./И.П.БУШАНСКИЙ,О.Ш.ДАУТОВ,А.П.ДОСТАНКОидр.М.: Радиоисвязь,1989,624с.

3.ВОЛКОВВ.А.Сборкаигерметизациямикроэлектронныхустройств.М.: Радиоисвязь1982.144с.

4.МЭНГИНМ.Г.,МАККЛЕЛЛАНДС.Технологияповерхностногомонтажа. Будущиетехнологиисборкивэлектронике./Пер.сангл.Под.Ред. Л.А.КОЛЕДОВА.М.:Мир,1990.276с.

5.ВОЛКОВВ.А.,ЗАВОДЯНА.В.,ЯШИНА.А.технологияиконструкторско-

73

технологические решения для реализации объемных интегральных модулей:Уч.Пособие.М.:МИЭТ,1992.83с.

74

Лабораторнаяработа№4

Аналитическаяоценкапреимуществэлектронныхустройств,выполненныхс применениемтехникиповерхностногомонтажа

Цель работы: 1) изучение и анализ конструкторско-технологичсских особенностейразработкифункциональныхустройств-ячеекЭВСсразличной степенью смешанности компонентов и их сравнительная оценка по конструкторско-технологическим критериям; 2) изучение особенностей технологии изготовления высокоплотно скомпонованных ячеек ЭВС с применениемтехникиповерхностногомонтажа.

Продолжительностьработы-4ч.

Теоретическиесведения

Техникаповерхностногомонтажа-путьиулучшениюфункциональных характеристикэлектронныхустройств

Габаритыкорпусовисоединительныхвыводовэлектронныхкомпонентовстали одной из причин замедления микроминиатюризации в электронной промышленности.Широко распространенные и дешевые DIP-корпуса для монтажавотверстияхплат(илитрадиционно-монтируемыекомпоненты(ТМК)) уже не могли удовлетворить потребности потребителей по своим массогабаритнымпоказателям,аглавное-былдостигнутпределпоколичеству выводовDIP-корпуса,порядка80.Всеувеличивающеесяколичествоэлементовв кристаллеБИС нарядусповышающейсямногофункциональностью изделия, требовалоувеличенияколичествавыводов.Наступилмоменткачественного изменениятехнологиимонтажавмикроэлектроннойпромышленности.Таким образомбылисформулированыобъективныепредпосылкидляразвитиянового ипрогрессивногонаправленияразработкиипроизводствамикроэлектронных изделий,котороевпоследствииполучилоназваниетехникиповерхностного монтажа(ТПМ).ПосвоейзначимостипереходкТПМ сравнимспереходомот электровакуумнойэлектроникикполупроводниковой,тольковпервомслучае былизмененфизический(фундаментальный)принцип,авовтором-главным образом технологический (прикладной). Если провести анализ развития конструкцийизделийвэлектроннойпромышленности,тонельзянезаметитьвсе возрастающеезначениетехнологииприсозданииэлектронныхустройствлюбого уровнясложности,товТПМ технологиявыходитнапервоеместо,Еслив производствеСБИС (УБИС)вомногихслучаяхужедостигаетсяфизический предел,то в ТПМ (как области прикладной) существует огромное поле деятельности дляразвитияновыхнаправлений разработки и производства микроэлектронных устройств и улучшения существующих функциональных характеристикЭУ.

ТПМ-средствоснижениямассогабаритныхпоказателейустройств

Какбылосказано,DIP-корпусанеобеспечиваюттребуемыхмикроэлектроникой функциональныхвозможностей,втомчислепомассогабаритнымпоказателям. С одной стороны увеличение количества выводов требовало повышения жесткости(какследствиеимассы)конструкции,сдругойстороны дажедля

75

самыхраспространенных(инебольшихпоразмерам)16-выводиыхкорпусов масса не могла быть больше снижена. Выводы должны обеспечивать необходимую жесткостьдлямонтажавотверстиях(тоестькорпусдолжен обеспечитьнеобходимуюфиксациювыводов).Наиболеелегкиепластмассовые DIP-корпуса имеют недостаточную теплопроводность из-за утолщенной низкотеплопроводящей пластмассовой оболочки. Более теплопроводящие корпусаизкерамикиобладаютповышенноймассой.Организоватьвыводысо всехсторонDIP-корпусатакжевесьмапроблематично.Неспасаетположение расположение выводов в шахматном порядке,при котором значительно увеличивается площадь, необходимая для монтажа на печатную (коммутационную)платутакого корпуса.И что не менее важно,площадь, занимаемая DIP-корпусом на плате,в несколько раз превышаетплощадь, занимаемую кристаллом.Всеэто,атакжемножество другихпредпосылок способствовалиразвитиюТПМ.ВТПМдостигнуто:

-снижение массы выводов компонентов (за счет использования микрокорпусов,втомчислебезвыводныхичип-компонентов);

-снижение массы корпуса за счет уменьшения толщины корпуса; уменьшения геометрических параметров корпуса при том же количестве выводов;болеекомпактногорасположениявыводовсшагом 1,25именее; примененияболееперспективныхконструкционныхматериалов;

-уменьшениеотношенияплощадизнакоместакплощадикристаллапри снижении площади,занимаемой корпусом наплате;улучшение,выходных параметровкомпонентоввмикрокорпусах(засчетуменьшенияпаразитных параметров);

-повышениевибропрочностикомпонентов.

Втабл.1и2представленысравнительныехарактеристикиDIPиПМ корпусов. Видно,Чтоповерхностно-монтируемыекорпусапревосходятDIP-корпуса,

Таблица1

ЗависимостьмассыкорпусаИСотколичествавыводов

Таблица2

Площадь,занимаемаякорпусаминаплате

Применение корпусов тина SO с количеством выводов больше 20 нецелесообразно,ТОКкакзначительноувеличиваетсязанимаемаяимиплощадь посравнениюсPLCC-корпусами.

Следует заметить,что наиболее существенное улучшение функциональных

76

характеристикизделийпроизошлоименноспереходомнановуюкорпуснуюбазу дляинтегральныхсхем(ИС)всехстепенейинтеграции.Историческисложилось так,что первыми поверхностно-монтируемыми компонентами (ПМК)стали дискретныекомпоненты;резисторы,конденсаторы,частичнотранзисторы и диоды.Но весь выигрыш от применения новых ПМК утрачивался при использованииИСвDIP-корпусах.

ТПМпозволяетповыситьэксплуатационнуюнадежностьикачествоизделий

Переход на ТПМ автоматически приводитк повышению эксплуатационной надежности.Это характерная черта,присущая технике ПМ.Новая техника монтажа потребовала пересмотреть устоявшиеся взгляды на технологию. Традиционныетехнологиииэлементнаябазанепозволялидостичьвполной мере требуемых результатов.Многие процессы,которые в традиционной технологиибылинекритичнымиквнешним идругим факторам вусловиях производства,оказалисьсущественнымивТПМ.Поэтомупотребовалисьновые правилапроектированиявТПМ дляобеспечениякачестваинадежностиЭУ; разработаны иразрабатываютсяновыеконструкционныематериалы;новые технологическиесреды;новыетехнологическиепроцессы,вкоторыхсамое непосредственноеучастиепринимаютЭВМ,отавтоматизированнойразработки доконтроляиуправлениявсемпроцессомизготовленияЭУ.

Такимобразом,сточкизренияповышениякачестваинадежностиЭУ,освоение ТПМпозволяетреализовать:

-улучшениекачествапайки(например,исключениеперемычекприпояпри использованииновыхспособовпайкиоплавлениемдозированногоприпоя),что способствуетповышению надежности ЭУ и улучшению ихфункциональных параметров;

-обеспечениевысокогокачествапозиционированиякомпонентовнаплате прииспользованиисборочныхавтоматов(переменныетехнологическиефакторы вТПМконтролируются),чтодаетвозможностьповыситькачествоинадежность сборкиимонтажакомпонентов,атакжеулучшитьфункциональныепараметры ЭУ;

-улучшениекачествавыполненияосновныхтехнологическихоперацийза счет встроенного тест-контроля и АСУ ТП,что в значительной степени способствуетповышениюэксплуатационнойнадежностиЭУ;

-возможностьуменьшенияколичествакоммутирующихслоевКПпритом жеилиповышенном уровнефункциональнойсложностиЭУ(из-заотсутствия металлизированных сквозных монтажных отверстий, а также за счет выполнениячастиэлементовкоммутациивмногослойнойструктуреоснований кристаллодержателей), что позволяет существенно увеличить площадь, отводимую под компоненты и трассировкуплат,способствуетповышению выходагодныхплатиихнадежности;

-уменьшениеколичестваметаллизированныхотверстий,каждоеизкоторых служитпотенциальным источником дефектов,даетвозможность повысить выходгодныхплатиихнадежность;

-использованиеновойэлементнойбазы сповышеннойнадежностью (в сравнении с традиционной) и высоконадежных технологий способствует созданиюперспективныхЭВСсвысокойэксплуатационнойнадежностью.

Обоснованиевыборакритериеврациональности(эффективности)внедрения ТПМвпроизводстваперспективныхЭВС

77

Одинизспособовопределенияэффективностииспользованияповерхностномонтируемыхкомпонентов(ПМкомпонентов)предложенД.Корф[1]исостоитв определении коэффициента приведения к эквивалентной ИС, который определяетсяизвыражения

гдеS-площадь,требуемаядлямонтажавыбраннойконструкциикомпонента,

площадь,занимаемаяодним (стандартным 16-выводным)DIP-корпусом,

принимаемаязаэквивалентинтегральнойсхемы(ЭИС). Существуюттакжедругиеспособы дляопределениярациональностии

эффективностииспользованияПМ-компонентов.Вчастности,одинизспособов состоитвопределениинижеследующихкоэффициентов.

Коэффициент К1 показывает,во сколько раз уменьшится площадь функциональнойячейки(ФЯ)послезаменытрадиционно-монтируемых(ТМ)на нейкомпонентовнаповерхностно-монтируемые;К1 определяетсяследующим образом:

где-реальнаяплощадьплатыФЯ;SПМ площадьФЯ,вкоторойвсеТМ-

компонентызамененыПМ-компонентами.

Коэффициент К2 показывает,во сколько раз увеличится монтажная площадьФЯпослезаменыповерхностно-монтируемыхнанейкомпонентовна традиционно-монтируемые;К2определяетсяпоформуле:

где SТМ -площадь ФЯ после замены в ней всехПМ-компонентов на ТМкомпоненты.

КоэффициентКСМ называютстепеньюсмешанностивФЯПМ-компонентов сТМ-компонентами;КсмпоказываетотносительноеколичествоПМ-компонентов вобщемчислекомпонентовФЯ;КСМ определяетсяследующимобразом:

где Кпм -количество ПМ-компонентов ФЯ; Кобщ -общее количество компонентовФЯ.

ОценкуэффективностиосвоениятехнологийвТПМ можноосуществлять по целому ряду показателей,например,по себестоимости ЭУ и другим стоимостным показателям; по проценту выхода годных изделий; производительноститехнологическогооборудования(вт.ч.постепенииуровню автоматизациитехнологическихпроцессов);поналичию встроенныхсредств контроля;поразновидностямвозможныхдефектоввобъектахпроизводства(т.е. поуровням качествакомпонентов,деталейиизделийвцелом),атакжепо результатамиспытанийнанадежностьЭУ.

Домашнеезадание

78

1.Изучитьописаниеклабораторнойработе.

2.Подготовитьформуотчетапопунктам1,2требованийкотчетуиформытабл.4 и6,атакжекраткоописатьособенностисборкиимонтажавТПМ,пользуясь источниками[1.3].

3.Подготовитьответынаконтрольныевопросы.

4.Иметькалькулятор.

Лабораторноезадание 1.Выполнитьнеобходимыерасчеты длязаданноговариантафункциональной ячейкииопределитьтребуемыепараметрысзанесениемихвформутабл.4и6в соответствиисметодикойвыполненияработы. 2.Изобразитьалгоритмосновныхэтаповтехнологическогопроцесса(ТП)сборки имонтажадляданнойячейкиЭВСсиспользованиемАСУТП. 3.Сформулироватьвыводы. 4.Составитьотчетвсоответствиистребованиямикнему. 5.Защититьлабораторнуюработу.

Приборы,приспособления,макетныеобразцы

Привыполнениилабораторнойработы используются:микроскоптипаМБС-2 (либо приспособление,содержащее лупу);пинцет глазной;измерительная линейка;макетные образцы в виде ячеек ЭВС,выполненных по разным вариантамсборкиимонтажасприменениемТПМ.

Методикавыполненияработы

1.Пользуясьисточниками[1..3]изучитьособенностисборкиимонтажавТПМ.

2.Всоответствиисномеромсвоейбригадывыбратьномерафункциональных ячеек (ФЯ)изтабл.3 и получить улаборанта ФЯ ЭВС в соответствии с выбранныминомерами.

3.Внимательно рассмотреть образцы ячеек,определить вариантсборки и монтажадлякаждойячейки,атакжетипкорпусаиликонструкциидлякаждого классакомпонентов.

Выборвариантадлявыполненияработы

Таблица3

4.Заполнитьформутабл.4сучетомданныхтабл.5ипользуясьприведенной нижеметодикойрасчета.

Форматабл.4

СравнительныехарактеристикиФЯприиспользованииПМКиТМК

79

Ктм -количествокомпонентов,выполненныхсприменением традиционного монтажа

(ТМ);

Кпм-количествокомпонентов,выполненныхсприменением поверхностного монтажа

(ПМ); SРЕАЛЬНАЯ-РеальнаяплощадьплатыФЯ;

STM -площадьФЯвслучае,есливсеПМ-компонентызаменитьТМ-компонентами;

где: -суммарнаямонтажнаяплощадьПМ-компонентов; суммарная монтажная площадь ТМ-компонентов, которыми

замененыПМ-компоненты;Sпм-площадьФЯвслучае,есливсеТМ-компоненты заменитьПМ-компонентами;

где: -суммарнаямонтажнаяплощадьТМ-компонентов; -суммарнаямонтажнаяплощадьПМ-компонентов,которымизаменены

ТМ-компоненты. Синдексомiобозначаетсяплощадькомпонентов,реальносуществующихв

ФЯ.Синдексомjобозначаетсяплощадькомпонентов,которыхреальнонетвФЯ (т.е,которыеусловнозаменяются); Sтмi,Sпмi,Sтмj,Sпмj-найтипосправочнойтабл.5;

5.Определить К1 (коэффициент миниатюризации ячейки только за счет применения элементнойбазыдляПМ)поформуле;

К2 (коэффициент, определяющий проигрыш ячейки по площади из-за использованияТМ-компонентов)поформуле;

,где:КОБЩ -общееколичествокомпонентоввсоставеФЯ.

80