книги / Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры

9. Методы обработки и формообразования материалов при производстве ЭА

Параметры схемы релаксационного генератора существенно влияют на характеристики процесса. При увеличении емкости С запас энергии, на­ капливаемой в конденсаторе, увеличивается, поэтому увеличивается и объ­ ем эрозионной лунки и, следовательно, производительность. Повышение сопротивления увеличивает время зарядки конденсатора и длительность эрозионного цикла. Поэтому для повышения производительности целесооб­ разно уменьшать сопротивление, однако при уменьшении сопротивления ниже определенного значения эрозионный процесс становится неустойчи­ вым вследствие срыва релаксации и перехода в дуговой.

При электроискровом методе обработки применяют импульсы дли­ тельностью 20...200 мкс. Электрическая эрозия проявляется наиболее ин­ тенсивно, если межэлектродное пространство заполнено диэлектрической жидкостью. В качестве такой жидкости используют керосин, минеральное масло, водные растворы электролитов и дистиллированную воду.

Форма обрабатываемой поверхности (отверстия) зависит от формы электрода-инструмента. Прорезка пазов в материале осуществляется по схе­ ме, представленной на рис. 9.34. Инструментом в такой установке является бронзовая проволока 1 диаметром (0,1. ..0,15) мм, размешенная на роликах 2. К проволоке подводится отрицательный потенциал, и она в процессе обра­ ботки медленно перемещается, обновляя инструмент относительно заготовки 3. Заготовка установлена в ванне с диэлектрической жидкостью 4 и к ней подве­ ден положительный потенциал. Заготовка медленно подается на проволочный электрод до появления электроискровых разрядов, которые разрушают мате­ риал заготовки. Таким образом получают маски-шаблоны при производстве тонкопленочных микросхем.

На рис. 9.35 приведена схема ультразвуковой размерной резки полу­ проводниковых слитков 5 на пластины. Ультразвуковая размерная обработ­ ка основана на ультразвуковых колебаниях (свыше 16 кГц) инструмента в

372

9.5. Электрофизические и электрахимичские методы обработки деталей

среде абразивной суспензии б. Обрабатываемый материал выкалывается ударами зерен абразива, получающих ускорение от торца инструмента, ко­ леблющегося с небольшой амплитудой. Обрабатываемый материал должен быть хрупким, а инструмент более мягким (среднеуглеродистые стали).

Инструмент 1 получает ультразвуковые колебания от магнитостриктора 2 через концентратор колебаний 3. Некоторые материалы, называемые магнитострикционными, под воздействием электромагнитных колебаний от генератора 4 начинают «сжиматься и разжиматься» с той же частотой. Если к торцу магнитостриктора, колеблющегося с ультразвуковой частотой и оп­ ределенной амплитудой, прикрепить инструмент определенной формы, то можно вести обработку. Для усиления энергии колебаний применяют кон­ центраторы различной конфигурации.

Для повышения производительности суспензию следует прокачивать че­ рез зазор между инструментом и обрабатываемым слитком, так как абразивные зерна постепенно разрушаются и их необходимо заменять. В качестве суспен­ зии используют воду с абразивными зернами. Кавитация (схлопывание образо­ вавшихся воздушных пузырьков в жидкой среде) ускоряет процесс обработки.

Широко используют ультразвуковую очистку деталей. Ультразвуко­ вые колебания, накладываемые на жидкость для очистки деталей, особенно малогабаритных и имеющих сложную конфигурацию, резко повышают ско­ рость и качество очистки.

Для пайки алюминия и его сплавов применяют способ удаления окисной пленки, основанный на ее механическом разрушении интенсивными ультразвуковыми колебаниями (рис. 9.36, а). При этом осуществляется про­ цесс ультразвукового лужения. Сущность явлений, происходящих при ульт­ развуковом лужении, заключается в следующем. Излучаемые рабочей ча­ стью паяльника знакопеременные упругие колебания частотой 16...22 кГц вызывают периодические растяжения и сжатия частиц жидкого припоя. В результате чего образуются кавитационные процессы в расплавленном при­ пое. При этом возникают большие ударные импульсы, воздействующие на жидкий припой и поверхность облуживаемых деталей и вызывающие раз­ рушение окисной пленки. Раздробленные частицы окисной пленки, обла­ дающие меньшей плотностью, всплывают на поверхность припоя, и он бес­ препятственно облуживает очищенную поверхность металла.

Процесс ультразвукового лужения позволяет облудить всю обрабаты­ ваемую поверхность, с которой сняты окисные пленки, в то время как при механическом удалении окисной пленки облуживаются только отдельные зачищенные места поверхности.

На частоте 18...23 кГц окисная пленка наиболее эффективно удаляет­ ся при интенсивности ультразвуковых колебаний 25... 100 Вт/см2. Зона та­ кой интенсивности из-за относительно высокой вязкости припоя распро-

373

9. Методы обработки и формообразования материалов при производстве ЗА

Рис. 9.36. Схема ультразвуковой пайки и лужения:

а — схема пайки: / — оксидная пленка; 2 — контакт расплавленного припоя с чистым ме­ таллом; 3 — жало паяльника; 4 — расплавленный припой; 5 — затвердевший припой; 6 — остатки окислов; 7 — смешанный слой припоя с чистым металлом; 8 — чистый металл; б — схема ванны лужения: / — преобразователь; 2 — концентратор-трансформатор скорости; 3 — расплавленный припой; 4 — ванна

страняется от излучающей поверхности преобразователя не далее 3 мм. В этой зоне можно получить эффективное лужение в течение 0,1 с при усло­ вии, что поверхность детали была предварительно нагрета до температуры расплавленного припоя.

При уменьшении интенсивности ультразвуковых колебаний продол­ жительность удаления пленки увеличивается до 1 с. Более длительное воз­ действие кавитации разрушает поверхности обрабатываемого изделия, а в некоторых случаях приводит к растворению изделия в припое.

Высокая плотность энергии сфокусированного электронного луча так же, как и светового луча лазера, позволяет проводить размерную обработку за счет нагрева и испарения материала с узколокального участка. Для этих методов характерна практическая независимость обрабатываемости мате­ риала от механических характеристик, поэтому как металлы, так и неметал­ лические материалы (магнитные материалы, керамика, полупроводниковые материалы, легированные стали и ферриты, твердые сплавы, корунд и т. д.) обрабатываются одинаково успешно.

Возможность точного дозирования энергии луча позволяет осуществ­ лять широкий круг технологических процессов от местной термообработки, зонной очистки и сварки до механической обработки. В ряде случаев, когда

3 7 4

9.5. Электрофизические и электрохимичские методы обработки деталей

для обработки особо миниатюрных деталей изготовление инструмента прак­ тически неосуществимо (например, для отверстий диаметром 5..Л0 мкм), лу­ чевая обработка является единственно возможной.

Оба метода позволяют проводить такие операции, как разрезку мате­ риалов, получение фасонных поверхностей и т. д. При этом, поскольку ин­ струментом является сфокусированный луч, вопрос об износе инструмента так же, как и об ошибках, связанных с этим износом, полностью снимается.

При обработке электронным лучом расплавление и испарение проис­ ходит за счет повышения температуры материала при резком торможении потока электронов в месте встречи его с обрабатываемой поверхностью. Для получения мощного потока электронов электронный пучок, эмитируемый вольфрамовым катодом в электронной пушке, ускоряется напряжением, приложенным между катодом и анодом, юстируется и фокусируется при помощи системы магнитных линз. Стигматор придает лучу круглую форму, а перемещение луча по поверхности изделий осуществляется отклоняющей системой. Кроме того, изделие, закрепленное на координатном столике, са­ мо может перемещаться относительно луча. Все устройство находится в ва­ куумной камере. Энергия луча (в электрон-вольтах) пропорциональна заря­ ду электронов, их количеству и величине ускоряющего напряжения.

Обработка световым лучом имеет ряд преимуществ: для обработки не требуется создания вакуума, при котором значительно труднее управлять технологическим процессом; нет рентгеновского излучения, сопутствующе­ го обработке электронным лучом; лазерные установки конструктивно проще электронных пушек; в некоторых случаях механическая обработка может осуществляться за прозрачной преградой (например, в запаянной колбе).

Главным недостатком обработки световым лучом является отсутствие надежных методов управления движением луча по обрабатываемой поверх­ ности, поэтому при обработке перемещается сама деталь.

Ко н т р о л ь н ы е в о п р о с ы

1.Перечислите основные методы формообразования деталей ЭВМ и систем.

2.Какой самый точный и производительный метод литья?

3.Перечислите основные методы холодной штамповки.

4.Какие способы штамповки применяются для получения полых деталей?

5.На какие группы делятся пластмассы?

6.Перечислите основные способы переработки пластмасс в изделия.

7.Какие виды обработки выполняются на станках токарной группы?

8.Почему на станках-автоматах продольного точения обрабатывают точные дета­ ли с большим отношением длины к диаметру?

9.Какие поверхности обрабатывают фрезерованием?

10.Какую обработку можно осуществлять лазером?

375

10. СБОРКА И МОНТАЖ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

10.1. Сборочно-монтажные операции

Трудоемкость сборочно-монтажных работ составляет 40.. .75 % общей трудоемкости изготовления ЭА. Сборочно-монтажные работы усложняются широкой номенклатурой выпускаемой продукции, преобладанием малых по размеру и массе деталей и сборочных единиц, значительным объемом в об­ щей трудоемкости сборки проверочных и регулировочных работ, многооб­ разием технических процессов сборки и электрического монтажа.

Большинство сборочных операций выполняются вручную с использо­ ванием простой оснастки. Для повышения производительности, снижения трудоемкости и повышения качества ЭА передовые предприятия применя­ ют средства механизации и автоматизации сборочно-монтажного процесса, гибкие производственные системы.

Основными сборочно-монтажными операциями при производстве ЭА являются: свинчивание (завинчивание), соединение методом пластического деформирования, сварка, пайка, склеивание, намотка, накрутка.

Соединение свинчиванием обеспечивает высокие прочностные харак­ теристики аппаратуры и возможность быстрой разборки. В единичном и мелкосерийном производстве сборку резьбовых соединений проводят в ос­ новном вручную при помощи ключей, отверток и других инструментов. В серийном производстве для сборки резьбовых соединений применяют меха­ низированный инструмент (электроотвертки, гайковерты, шпильковерты и т.д.), при этом винты, гайки и шпильки подаются, как правило, вручную. В настоящее время применяют механизированные инструменты с автоматиче­ ской подачей крепежа. При крупносерийном и массовом производстве резь­ бовые соединения следует выполнять на специальных автоматах и автома­ тизированных робототехнологических комплексах.

Соединение методом пластического деформирования имеет не­ сколько разновидностей: склепывание (клепка, расклепка), запрессовка, раз­

3 7 6

10.1. Сборочно-монтажные операции

вальцовка. Соединение склепыванием применяют для изделий, работающих при высоких температурах и давлениях; для соединения неметаллических деталей с металлическими. Основной деталью соединения является заклепка с полукруглой головкой. Получили распространение более технологичные конструкции заклепок, в частности, трубчатые и полутрубчатые, расклепка и развальцовка которых менее трудоемка.

Основными технологическими переходами при склепывании являют­ ся сверление или пробивка отверстий; соединение склепываемых деталей; развертывание соединяемых деталей для обеспечения соосности; установка заклепки; склепывание давлением или ударом. Для выполнения соединения склепыванием используют механические эксцентриковые, пневматические, электромагнитные, вибрационные и другие прессы. В крупносерийном и массовом производстве применяют клепальные полуавтоматы и автоматы, выполняющие пробивку отверстий, вставку заклепок и осадку их головок. Наибольшую производительность обеспечивают роторные многопозицион­ ные прессы.

Соединение деталей запрессовкой проводится в холодном состоянии давлением или ударом. Усилие запрессовки зависит от натяга, материала сопрягаемых деталей, их точности и шероховатости. Основными условиями обеспечения высокого качества сборки запрессовкой деталей с натягом яв­ ляются точное направление запрессовываемой детали в приспособлении в процессе запрессовки; осевое приложение усилий запрессовки к базовым опорам; создание плавающих опор в приспособлениях для центрирования собираемых деталей; контроль собираемых деталей по погрешности формы; контроль за усилием запрессовки.

Развальцовку применяют для сборки деталей из хрупких материалов. При этом инструменту (вальцовке) помимо осевого перемещения сообщает­ ся вращательное.

П айка — процесс соединения металлических деталей при помощи расплавленного припоя, вводимого в зону соединения деталей. При монтаже ЭА применяют в основном мягкие оловянно-свинцовые припои. Для пайки необходимы флюсы, чтобы защитить основной металл и припой от окисле­ ния, растворить образовавшиеся окислы, смочить поверхность металлов и обеспечить лучшее растекание припоя. Используют трубчатый припой с флюсом, который можно дозировано подавать к месту пайки. Пайка твер­ дым припоем обеспечивает высокую прочность швов и применяется для сборки изделий, например волноводов.

В настоящее время используют разнообразные способы пайки: паяль­ ником, погружением, волной припоя, паяльными муфтами, паяльными пас­ тами в термопечах и др. Пайку можно проводить в вакууме, в нейтральной или восстановительной среде, предохраняющей место пайки от окисления, с

377

10. Сборка и монтаж электронной аппаратуры

наложением ультразвуковых колебаний. Нагрев при пайке осуществляется жалом паяльника, в ваннах, печах, с помощью горелок, токами высокой час­ тоты, на электроконтактных машинах. Перед пайкой необходимо совмес­ тить с определенной точностью соединяемые припоем поверхности.

С варка — процесс получения неразъемного соединения за счет рас­ плавления и совместной кристаллизации двух свариваемых материалов или без расплавления в результате электронного взаимодействия свариваемых материалов. В производстве ЭА применяют сварку электронным и световым лучом, диффузную сварку, термокомпрессионную, ультразвуковую, холод­ ную сварку давлением. Важнейшим направлением совершенствования тех­ нологических процессов сварки является их механизация и автоматизация, использование сварочных роботов.

Склеивание — процесс соединения различных материалов с помо­ щью клеев. Склеивание как метод сборки при производстве ЭА находит все большее распространение. Клеящие вещества удерживают соединяемые де­ тали силами адгезии. Склеивание — наиболее рентабельный, а нередко единственный метод соединения разнородных материалов: резины с метал­ лом, пластмассы с металлом, стеклами, ситаплами, керамикой и др. Склеи­ вание является основной операцией в производстве слоистых пластиков, фольгированных диэлектриков, многослойных ПП. С помощью клея можно надежно крепить на платах навесные элементы. Соединения, получаемые склеиванием, обладают теплоизолирующими, звукопоглощающими, демп­ фирующими свойствами, герметичностью. Склеивание отличается просто­ той технологии, применяется в поточном производстве и имеет низкую се­ бестоимость сборки.

Намотка — процесс механической или ручной укладки провода на каркас или оправку при изготовлении катушек контуров, обмоток транс­ форматоров, дросселей, реле, резисторов и других элементов ЭА. Обмотка — конструктивная часть намоточного узла, состоящая из намотанного мате­ риала, выводов, отводов, внутренней, промежуточной и внешней изоляции. Намотка — сложная и трудоемкая сборочная операция, включающая не­ сколько технологических переходов. Для повышения производительности и снижения трудоемкости изготовления различных обмоток (особенно в крупносерийном и массовом производстве) в настоящее время разрабаты­ ваются и внедряются автоматические намоточные станки, обеспечивающие установку каркасов на оправку, намотку провода на каркас, крепление вит­ ков, производство выводов, их зачистку и лужение, съем готовой продукции.

Накрутка — метод получения контактных соединений между жилой (проводником) и штырем с острыми кромками. Проводник накручивается непосредственно на штырь с усилием, равным 70 % предела прочности про­ вода на разрыв. При этом 4— 6 витков провода механически закрепляются

378

10.2. Сборка и монтаж модулей первого уровня

на кромках штыря, образуя газонепроницаемое соединение, надежность ко­ торого выше паяного. Для накрутки применяют специальные пистолеты и установки с ЧПУ.

Процесс сборки и монтажа с использованием рассмотренных сбороч­ ных методов состоит из следующих этапов:

•подача собираемых деталей (элементов) к месту сборки;

•взаимная ориентация (базирование) деталей перед их соединением;

•соединение сборочных элементов в сборочную единицу;

•закрепление сборочных элементов (сборочной операции);

•контроль.

Для выполнения каждого из этапов используют различную оснастку. Возможно выполнение всех этапов на многооперационном оборудовании. Важным этапом сборки является ориентация собираемых деталей (элемен­ тов) перед их соединением. Необходимая точность взаимного положения деталей определяется многими факторами и может быть рассчитана заранее.

Требования к оснастке в части концентрации операций, автоматиза­ ции, многоместности, быстродействия и т. п. во многом определяются объ­ емом выпуска изделий. Для мелкосерийного производства в основном при­ меняют простую однооперационную технологическую оснастку (часто с ручным приводом), универсально-переналаживаемую оснастку, универ­ сальную оснастку с элементами гибкой переналадки. Для серийного произ­ водства используют высокопроизводительную механизированную оснастку (с пневмоприводом, гидроприводом, электродвигателем), частично или пол­ ностью автоматизированную. Оснастка и технологические модули встраи­ ваются в гибкое производство и предназначены для выполнения нескольких операций. Для крупносерийного и массового производства характерно ис­ пользование сложной многооперационной, многоместной, как правило, ста­ ционарной оснастки, работающей в автоматическом режиме.

10.2. Сборка и монтаж модулей первого уровня

Основным конструктивным элементом, образующим модули первого уровня (ТЭЗ, модули, ячейки) является одностронняя, двусторонняя или многослойная ПП, по одну или обе стороны которой размещаются МС, ЭРЭ, элементы коммутации и пр. Число МС и ЭРЭ, устанавливаемых на плату, может достигать десятков и сотен штук. В зависимости от вида внешних выводов МС и ЭРЭ их монтаж на поверхность ПП делят на шты­ ревой, планарный и поверхностный (рис. 10.1).

Установка МС и ЭРЭ на ПП проводится в зависимости от типа произ­ водства ручным, механизированным, полуавтоматическим или автоматиче-

379

10. Сборка и монтаж электронной аппаратуры

Рис. 10.1. Виды монтажа микросхем и ЭРЭ:

а — штыревой; б — планарный; в — поверхностный

ским способом. Однако вне зависимости от способа монтажа необходимо выполнение следующих операций: комплектация элементов, устанавливае­ мых на плату, подготовка элементов к монтажу, установка элементов на плату и их фиксация, пайка, защита и контроль готового модуля.

К о м п л е к т а ц и я у с т а н а в л и в а е м ы х н а П П э л е м е н т о в

10.2. Сборка и монтаж модулей первого уровня

(модулей) количестве.

При поступлении на сборку конкретного печатного узла на устройстве управления набирается код платы, которая в данный момент будет монтироваться и для которой по программе будет проведена комплектация необходимых элементов. Накопитель имеет окно 6 для загрузки элементов и окно 7 для выгрузки при комплектации. Окна при необходимости располагают на разных уровнях (этажах) предприятия. Иногда для загрузки и выгрузки элементов используют одно окно.

При выгрузке полка останавливается перед окном 7 и над ячейкой (ячейками), из которой следует забрать элемент (элементы), загорается сиг­ нальная лампа. Конвейер, последовательно перемещаясь и останавливаясь по программе, дает возможность упорядоченно подобрать комплект элемен­ тов на собираемую плату. Размещение и оформление комплекта в зависимо­ сти от типа производства осуществляется по-разному.

Комплект элементов J, размещаемых в ячейках 2 тары матричного типа /, представлен на рис. 10.3. Такая тара обеспечивает удобство нахождения кон­ кретного элемента при установке его на плату как рабочим-монтажником, так и манипулятором при автоматизированной сборке. Для манипулятора тару уста­ навливают на программируемый стол, который перемещает ее по двум коорди­ натам и подводит под захват манипулятора определенную ячейку с элементом. При этом элементы должны быть определенным образом сориентированы в ячейке тары.

Комплект элементов можно размещать в устройстве, напоминающем магазин-накопитель, но меньшего объема. Такой накопитель предназначен для автоматизированных сборочных монтажных устройств и программно с ними совместим.

Для рабочих мест монтажников применяют различные варианты ком­ плектовщиков (рис. 10.4): в виде различных конвейеров 1 с ячейками 2 для размещения элементов (рис. 10.4, а) или многоярусных устройств карусель­ ного типа 3 (рис. 10.4, б).

Для сборочных автоматов комплектация элементов осущ ествляется установкой их в ленту или в кассеты с определенным шагом. На рис. 10.5

381