Основы проектирования электронных средств Материалы к Экз ОПЭС-2014 РК-01-02 / Не для распространения Введение в технологию поверхностного монтажа

точек, что позволяет использовать его в массовом производстве. Будучи способом со специальной оснасткой для каждого типа ПП, перенос штырем идеального подходит для применения при сборке ПУ одного типа. Перенос штырем хорошо подходит для нанесения клея для приклеивания большого количества средних и крупных компонентов.

Плита со штырями

Клей в поддоне

Смачивание клеем штырей Перенос на ПП

Рис. 2.2. Перенос штырем

Недостатки данного метода очевидны: высокая стоимость оснастки и сложность перехода на новый вид изделий. Кроме того, говорить о высокой повторяемости и качестве наносимых точек вряд ли приходится. Клей в поддоне имеет большую площадь поверхности, через которую происходит поглощение влаги. Температура клея в поддоне лежит в пределах 30-35°C. При повышенных температурах и с течением времени происходит постепенное отверждение клея. Время жизни клея в поддоне составляет максимум 6 недель, причем неправильный выбор клея может существенно снизить его. Для выравнивания поверхности клея в поддоне для равномерного смачивания клеем штырей необходимо наличие ракеля. Повторяемость смачивания зависит от постоянства свойств клея. Не так просто получить клеевые точки малых размеров, например, под чип 0603 и 0805. Следующим недостатком данного метода является возможность повреждения штырей в процессе эксплуатации. Так как штыри жестко фиксированы в плите, то невозможна коррекция растяжений или поворотов рисунка ПП.

Для клеев с высокой вязкостью отношение диаметра штыря к диаметру клеевой точки должно составлять 1:1, с низкой – 1:1,2. Вязкость зависит от температуры, срока службы, партии и типа клея. В данном методе скорость достигается за счет потери гибкости и сужения спектра наносимых материалов. Перенос штырем занимает очень специализированный сегмент рынка – массовое производство изделий на линиях поверхностного монтажа сверхвысокой производительности.

2.2.2. Трафаретная печать

Так же как и перенос штырем, трафаретная печать – очень быстрый метод нанесения материалов. Трафаретная печать сама по себе – хорошо отработанный процесс. Относительно новая тенденция в промышленности наносить клей через трафарет объясняется возможностью получения отпечатков различной высоты за один проход ракеля.

41

Ракель

Трафарет

Клей

ПП

Рис. 2.3. Трафаретная печать

У этой технологии сохранены все традиционные достоинства трафаретной печати: высокая скорость, низкая стоимость, возможность нанесения малых отпечатков, а также отпечатков с большой высотой. Кроме того, данная технология позволяет осуществлять быструю переналадку. Одно и то же оборудование предоставляет возможность нанесения различных материалов. Современное оборудование для трафаретной печати позволяет использовать реперные знаки ПП для коррекции по углу. В отличие от плит и штырей, трафареты относительно дешевы, и их изготовлением занимается множество предприятий.

Все же трафаретная печать не лишена ряда недостатков. Как и плита со штырями, трафареты изготавливаются под каждый тип изделий, не предоставляя тем самым возможность добавления клеевой точки или увеличения высоты отпечатка. Кроме того, при нанесении ракелями клей подвержен воздействию воздуха, что приводит к поглощению влаги. При движении ракеля происходит попадание небольшого объема воздуха в отпечатки клея, что может привести к возникновению проблем по причине расширения воздуха во время отверждения клея.

Рис. 2.4. График зависимости вязкости от температуры

При нанесении материала методом трафаретной печати невозможна компенсация растяжения рисунка ПП. Параметры процесса зависят от вязкости наносимого материала. Не представляется возможным постоянно подстраивать параметры процесса при изменении температуры на 1-2°C. Колебаний температуры производственного помещения в пределах 23-27°C достаточно для изменения вязкости клея на величину до 30% (см. Рис. 2.4).

В настоящее время преимущества метода трафаретной печати перевешивают его недостатки, что ускоряет развитие этой области. Трафаретная печать позволяет наносить большее разнообразие материалов, чем метод переноса штырем. Однако метод нанесения через трафарет не обладает такой гибкостью, как дозирование.

42

Более подробно метод нанесения клея через трафарет рассмотрен в разделе «Трафаретная печать».

2.3. Типы дозаторов

2.3.1. Ручные дозаторы

Для нанесения материалов методом дозирования в единичном и мелкосерийном производстве применяются ручные пневматические дозаторы. Оператор удерживает картридж с присоединенной к нему дозирующей иглой (см. Рис. 2.5) и контролирует время приложения давления для формирования дозы требуемого объема тем или иным способом, например, нажимая на педаль. Объем дозы определяется диаметром дозирующей иглы, временем приложения и величиной давления.

Рис. 2.5. Типы игл для ручных дозаторов

С помощью ручных дозаторов можно качественно наносить пасту под чипкомпоненты и микросхемы с шагом не менее 1,27 мм. При дозировании под микросхемы паста на контактные площадки наносится либо в виде точек в шахматном порядке, либо в виде линии поперек контактных площадок. В последнем случае при оплавлении жидкий припой под действием сил поверхностного натяжения стягивается на выводы, и перемычек не образуется. Для микросхем с малым шагом выводов способ нанесения пасты в виде линии исключен, а при дозировании на контактные площадки требуется очень много времени. К тому же велика вероятность возникновения дефектов. Все это делает целесообразность применения ручных дозаторов для микросхем с малым шагом сомнительной.

2.3.2.Автоматические дозаторы

Вобласти дозирования существует несколько конкурирующих технологий. Для каждой из них характерны свои преимущества и недостатки, определяющие область их применения. Можно выделить четыре типа дозаторов:

∙пневматические;

∙шнековые;

∙поршневые;

∙струйные.

Впромышленности наиболее широко применяются пневматические, шнековые и поршневые дозаторы. Метод струйного нанесения относительно нов, однако в последнее время приобретает все большее распространение.

2.3.2.1. Пневматические дозаторы

Эта технология появилась первой и до сих пор используется наиболее широко. Среди всех технологий дозирования системы такого типа претерпели больше всего изменений в процессе длительного развития. Пневматическим дозаторам свойственна высокая гибкость и возможность нанесения широкого спектра материалов.

Принцип работы пневматического дозатора заключается в следующем (см. Рис. 2.6). К картриджу с клеем, закрепленному в дозирующей головке, прикреплена

43

дозирующая игла определенного диаметра. К картриджу прикладывается импульс давления определенной величины и длительности. Диаметр иглы, величина и время приложения давления определяют размер точки. Автоматические пневматические дозаторы могут обеспечить производительность до 40000 доз/час. Недостатком пневматических дозаторов является нестабильность доз. В принципе, при нанесении клея невысокая стабильность доз не является очень критичным фактором. Правило выбора размера клеевых точек можно сформулировать следующим образом. Размер клеевой точки под компонент выбирается таким образом, чтобы клей касался нижней поверхности компонента в степени, достаточной для образования надежного соединения, и не попадал на контактные площадки. Гораздо критичнее то, что размер точек может изменяться (уменьшаться) по мере опустошения картриджа, особенно в автоматах с производительностью, близкой к максимальной для этого способа дозирования.

давление

поршень

картридж

клей

дозирующая игла

Рис. 2.6. Пневматический дозатор

Пневматические дозаторы позволяют оператору осуществлять быструю замену картриджей и очистку или смену дозирующих игл. Простота очистки и обслуживания является преимуществом данной технологии по сравнению со всеми остальными. Пневматические дозаторы обладают простой надежной конструкцией и принципом действия.

Главный недостаток таких систем проявился по мере увеличения производительности автоматов установки компонентов, что привело к возрастанию производительности автоматов дозирования с пневматическими дозаторами с 10000 доз/ч до 40000 доз/ч. В дозаторах высокой производительности (близкой к предельной для данного метода) по мере опустошения картриджа увеличивается время отклика на пневмоимпульс (см. Рис. 2.8), что приводит к уменьшению размера точек. Для преодоления данного недостатка обычно требуется использование СТЗ и температурного контроля.

Среди недостатков пневматических дозаторов стоит упомянуть слабую повторяемость нанесения клеевых точек под компоненты с малыми размерами, например, чип 0805, 0603. Клеевые точки для фиксации чип-компонента типоразмера 0402 получить очень сложно, и, следовательно, это не рекомендуется для промышленного применения.

44

Рис. 2.7. Зависимость диаметра точки от уровня материала в картридже

С все более сильным проявлением недостатков пневматических дозаторов из-за увеличения производительности автоматов установки компонентов, повышается конкуренция со стороны других технологий. Развитие трафаретной печати, шнековых и поршневых дозаторов во многом объясняется недостатками пневматических дозаторов.

Отклик на пневмоимпульс

Рис. 2.8. Увеличение времени отклика на пневмоимпульс

2.3.2.2.Шнековые дозаторы

Кпреимуществам данного метода относится очень высокая повторяемость доз и возможность дозирования почти всех материалов, вызывающих сложности при нанесении другими способами. Шнековый дозатор работает следующим образом (см. Рис. 2.9). Картридж с клеем закрепляется в дозирующей головке. К картриджу прикладывается постоянное давление для подачи клея в шнековую камеру с закрепленной на ней дозирующей иглой. В шнековой камере находится шнек, при вращении которого клей подается в дозирующую иглу. Величина дозы зависит от времени вращения шнека и диаметра иглы. Шнековые дозаторы отличаются очень высокой стабильностью доз. По этой причине их часто применяют не только для дозирования клея, но и паяльной пасты, когда стабильность и точность доз особенно важна.

45

давление

Рис. 2.9. Шнековый дозатор

Недостаток состоит в более сложной очистке по сравнению с пневматическими дозаторами. Возможности данных дозаторов, так же как и пневматических, снижаются с уменьшением размеров клеевых точек, зависящих от продолжительности вращения шнека.

В таких системах при вращении шнека на одинаковый угол объем дозируемого материала зависит от вязкости материала и от диаметра дозирующей иглы. Вязкость меняется в зависимости от температуры, партии материала и срока хранения. Область применения шнековых дозаторов продолжает увеличиваться. Производительность шнековых дозаторов выше, чем пневматических, но ниже, чем поршневых и струйных. Диапазон размеров клеевых точек, получаемых с помощью шнековых дозаторов, очень широк. Отходы материала при использовании таких дозаторов малы. Шнековые дозаторы используются для нанесения материалов с вязкостью в пределах 100-1500 тыс. сП.

2.3.2.3. Поршневые дозаторы

Рис. 2.10. Поршневой дозатор

При подъеме поршня вверх материал под действием давления, приложенного к картриджу, затекает в рабочую камеру. Затем поршень под действием давления перемещается в рабочую камеру и выдавливает клей через присоединенную к ней дозирующую иглу. Объем дозы зависит от величины хода поршня, который регулируется настоечным винтом. Преимущество поршневого дозатора: малая зависимость или полное отсутствие зависимости производительности от размера клеевой точки (см. Рис. 2.11). Сочетание этого качества поршневых дозаторов с независимостью дозируемого объема от вязкости материала позволяет наносить материал с большой производительностью, точностью и повторяемостью.

46

Недостатком служит более сложная очистка по сравнению с пневматическими дозаторами. Кроме этого, невозможно программное управление размерами точек. Зазор между цилиндром и поршнем может привести к возникновению проблем при дозировании материалов с крупным размером частиц. Поршневой дозатор обладает большей производительностью, чем пневматический и шнековый, но меньшей, чем трафаретная печать и перенос штырем. С помощью поршневых дозаторов можно наносить большое количество материалов с различной вязкостью.

Рис. 2.11. График зависимости производительности от размера точек

2.3.2.4. Струйные дозаторы

Принцип работы.

Подача материала в насадку

Пружина, удерживающая поршень

Воздушная камера

Давление на входе

Поршень

Нагреватель

Насадки различных размеров

Рис. 2.12. Схема струйного дозатора (Asymtek DJ-2111 Jet)

Бесконтактное струйное дозирование – новейшая технология нанесения клеев на поверхность ПП. По сравнению с традиционными методами дозирования клея струйное

47

дозирование обладает большим количеством преимуществ, но оно также имеет и определенные ограничения.

Устройство струйного дозатора представлено на рис. 2.13. Материал в картридже находится под давлением для подачи его в рабочую камеру дозирующей головки. Для обеспечения оптимальной и постоянной вязкости дозируемого материала рабочая камера снабжена устройством подогрева с функцией поддержания постоянной температуры.

Исходное положение поршня

Поршень приподнимается – клей заполняет образовавшееся пространство

Поршень возвращается в исходное положение – материал наносится на ПП

Рис. 2.14. Принцип действия струйного дозатора

Принцип действия струйного дозатора показан на Рис. 2.14. При подъеме поршня из исходного положения происходит заполнение образовавшегося пространства клеем. Возврат поршня в исходное положение происходит с высоким ускорением, в результате чего нарушается сплошность клея и формируется доза, наносимая на ПП с расстояния 1- 3,5 мм. Данный метод дозирования является бесконтактным, поэтому на повторяемость формы клеевых точек не оказывают влияние нарушения плоскостности ПП или различия в когезии клея и адгезии клея к ПП.

Механизм дозирования позволяет наносить точно контролируемые объемы клея на ПП. Так как отсутствует перемещение по оси Z, время цикла значительно сокращено (см.

Рис. 2.15).

Рис. 2.15. Сравнение контактного и бесконтактного дозирования

В отличие от традиционных систем с дозирующими иглами, для которых требуются иглы различных диаметров для нанесения точек со значительно отличающимися размерами, при струйном дозировании размер точки может быть просто увеличен путем нанесения от одной до пяти капель в одну и ту же позицию в быстрой последовательности (см. Рис. 2.16). Это существенно снижает затраты времени, имеющиеся при смене дозирующих игл или при использовании дозирующих головок, оснащенных несколькими иглами. Исключение затрат времени на вертикальное перемещение и на пребывания иглы в нижнем положении после дозирования, позволяет

48

бесконтактным системам дозирования функционировать почти с максимальной скоростью своих систем позиционирования по осям X,Y и работать в линии с высокопроизводительными автоматами установки компонентов.

Рис. 2.16. Нанесение нескольких капель в одну позицию позволяет сформировать более высокие точки

Преимущества и недостатки. Струйная дозирующая головка может перемещаться над поверхностью ПП на фиксированной высоте и наносить материал без необходимости контакта с ПП. Это предоставляет несколько дополнительных преимуществ по сравнению с традиционным дозированием через иглу. Так как отсутствует контакт с ПП, поддержка ПП снизу не требуется. Упрощена не только механика автомата, но также уменьшено время переналадки на новый тип ПП. Механический контакт с ПП приводит к значительной вибрации, которая должна быть погашена с помощью качественной системы поддержки ПП снизу, если целью является достижение постоянства формы точек. Струйное дозирование устраняет этот источник нарушения повторяемости.

Преимущества бесконтактного струйного дозирования:

∙очень высокая производительность (до 300 тыс. доз/ч);

∙меньше время переналадки на новый тип ПП;

∙не требуется поддержка ПП снизу;

∙не требуется повторяемость обеспечения расстояния дозирующая игла – ПП;

∙дозирование точек больших размеров не так сильно сказывается на производительности, как для других методов дозирования;

∙гибкая переналадка.

Область применения струйного дозирования, так же как и всех успешных новых технологий, быстро расширяется. Главное ограничение струйного дозирования – невозможность нанесения таких материалов, как паяльная паста. Частицы припоя в пасте будут “выдавлены” при ударении по ним шариком на конце поршня. Это, в конечном счете, приводит к засорению дозирующей насадки и необходимости частого вмешательства оператора.

Струйное дозирование клеев быстро набирает популярность в промышленности, особенно в сфере контрактного производства с высокой производительностью и широкой номенклатурой, в которой производительность, гибкость и программируемость струйных дозаторов обеспечивает конкурентное преимущество по сравнению с затратами времени и издержками традиционных технологий дозирования.

2.4. Технологические материалы

Большинство клеев, используемых при сборке ПУ по технологии поверхностного монтажа, являются эпоксидными. Эпоксидные клеи получили наиболее широкое распространение с тех пор, как были внедрены высокопроизводительные автоматы дозирования, и предприятия научились работать с материалами, имеющими относительно короткий срок годности. Как правило, эпоксидные клеи обладают превосходной адгезией к широкому спектру ПП, образуют соединения, имеющие высокую прочность и диэлектрические характеристики. Так как эпоксидные материалы являются

49

термочувствительными, их необходимо хранить в холодильнике при температуре около 5°C для обеспечения максимального срока годности.

Эпоксидные клеи. Клей состоит из наполнителя, эпоксидных смол, отвердителя, корректировщиков реологии и красителей. Как правило, наполнителем является силикон, но также в качестве наполнителя могут использоваться некоторое другие диэлектрические материалы. Тепловое расширение таких наполнителей мало, а эпоксидных смол велико, поэтому комбинация этих двух материалов обеспечивает тепловое расширение близкое как к ПП, так и к компонентам.

Эпоксидная смола выполняет функцию связующего вещества, соединяющего остальные компоненты клея. Это легкая жидкость, обычно бесцветная или светлокоричневого цвета.

Отвердитель, как правило, – твердое вещество, расплавляющееся при некоторой температуре. Находясь в твердом состоянии, он очень слабо реагирует с эпоксидной смолой. Клей начинает отверждаться с момента изготовления и продолжает до полного отверждения, что может занять 6 месяцев, 6 дней, 6 минут или даже 6 секунд. Все зависит от скорости реакции между отвердителем и эпоксидной смолой, которая очень высока при нагревании.

Клеи, предназначенные для поверхностного монтажа, должны быть легко различимы на зеленом или коричневом покрытии ПП, как визуально, так и при применении автоматического оборудования. С повышением популярности оборудования автоматической оптической инспекции, красный и желтый стали основными цветами клеев, хотя идеальный цвет клея определяется максимальной контрастностью с ПП.

Эпоксидные клеи отверждаются тепловым воздействием. Минимальная температура, при которой происходит отверждение, 100°C, но на практике отверждение осуществляются при температуре от 110°C до 160°C. Отверждение при температуре, превышающей 160°C, сократит время цикла, но, весьма вероятно, приведет к образованию хрупкого соединения.

Реология. Эпоксидные клеи обладают свойством, которое называется тиксотропией. Тиксотропные материалы характеризуются уменьшением вязкости при приложении нагрузки и восстановлением ее до первоначального значения по истечении некоторого времени. Благодаря этому свойству обеспечивается истечение клея из дозирующей иглы и сохранения формы точки после дозирования.

2.5. Технологические параметры дозирования

2.5.1. Общие рекомендации

Технологические параметры процесса дозирования:

∙температура дозирования;

∙диаметр дозирующей иглы;

∙расстояние ПП – дозирующая игла;

∙время пребывания иглы в нижнем положении после дозирования;

∙высота подъема иглы после дозирования;

∙статическое давление на материал в картридже.

Температура дозирования – очень важный параметр при дозировании клеев. Клей

– вещество со сложной реологией, вязкость которого очень сильно зависит от температуры. При “комнатной” температуре в диапазоне 21-27ºС вязкость клея изменяется более чем на 30%. Поэтому очень важным является обеспечение постоянной температуры дозирования. Большинство клеев требуют температуру дозирования в диапазоне 30-35ºС. Для этого автоматы снабжаются устройствами подогрева и поддержания постоянной температуры клея. Необходимо отметить, что при повышении температуры выше 40ºС необратимая реакция полимеризации клея ускоряется.

50