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

где, μ – среднее значение.

Процесс считается работоспособным, если величина Cpk >1,33. Чем больше значение Cpk, тем меньше вероятность того, что процесс выйдет за заданные границы допуска.

3.6. Оценка характеристик автоматов по IPC 9850

Оценка и сравнение автоматов установки компонентов поверхностного монтажа различных производителей представляет собой непростую задачу. Производители разрабатывают собственные методики оценки таких параметров автоматов, как производительность, повторяемость, точность. В июле 2002 года вышел в свет стандарт IPC9850 Характеристика оборудования для установки компонентов поверхностного монтажа, который устанавливает единую методику оценки основных параметров автоматов.

Для измерения точности, повторяемости и воспроизводимости процесса установки компонентов на плату необходимо исключить дополнительные вариации, связанные с отклонением размеров компонентов от номинальных, искажением рисунка ПП и т.д. По этой причине используются стандартизованные компоненты, которые устанавливаются на стандартные платы, покрытые клейким материалом.

В качестве тестовых выбраны пять типов компонентов, представляющих собой полный спектр, устанавливаемый данным видом оборудования. Это конденсаторы типоразмера 0603, SOIC-16, QFP-100, QPF-208 и BGA-228. Конденсаторы 0603 и

микросхемы SOIC-16 – реальные компоненты, тогда как QFP и BGA представляют собой стеклянные муляжи. Конденсаторы были выбраны по той причине, что по сравнению с резисторами такого же типоразмера они имеют более точную форму и размеры. Выбор микросхем SOIC-16 объясняется тем, то они хорошо характеризуют класс компонентов с большим шагом, и их может устанавливать любой автомат. Оба этих типа компонентов поставляются в ленте, что является решающим фактором.

Компоненты устанавливаются на стеклянные платы, покрытые клейким материалом. Использование стеклянных плат имеет два существенных преимущества. Вопервых, стекло более стабильно по сравнению с стеклотекстолитом, который может сильно деформироваться. Во-вторых, стекло прозрачно, и при измерении точности установки компонентов на оптических микроскопах можно использовать проходящий свет для получения четкого контура компонента.

Стеклянные платы и компоненты должны быть сертифицированы в международнопризнанных организациях по стандартизации.

Для каждого типа компонентов используется специальные платы, на которые устанавливаются следующие количества компонентов:

Рис. 3.39. Стандартные компоненты и их количество на стандартной плате

Рабочая программа генерируется с использованием стандартных CAD-данных. Для теста производитель оборудования может выбрать любой из вышеназванных компонентов и соответствующую плату.

Очень существенными являются следующие два обстоятельства. Производительность автомата по этому стандарту (Net Throughput) рассчитывается не только с учетом времени, которое тратится непосредственно на сборку платы, но

81

включает в себя и время на считывание реперных знаков, транспортировку платы в рабочую зону и из рабочей зоны автомата, фиксацию и разблокирование платы в рабочей зоне. При подтверждении производительности автомат должен устанавливать компоненты с заявленной точностью.

Для оценки точности используется измерительное оборудование, обладающее существенно большей точностью, чем ожидаемая точность автомата.

Встандарте приведено четкое определение повторяемости – она определяется как одно среднеквадратическое отклонение ошибки установки.

Стандарт рекомендует производителям характеризовать точность автоматов одним из следующих способов.

Первый способ предполагает расчет допустимых отклонений отдельно для каждой оси (X, Y и углу θ) при Cpk=1,33 и Cpk=2. Cpk=1,33 соответствует вероятности выхода за пределы допуска 60 ppm, Cpk=2 – вероятности 0,002 ppm.

Этот способ позволяет учесть как систематическую, так и случайную ошибку установки, и лишает производителей соблазна иметь высокий Cpk за счет нереально широких пределов допуска.

Второй способ предусматривает расчет Cpk для четко установленных границ, соответствующих перекрытию контактной площадки выводом в 50% и 75%. Указанные величины перекрытия контактной площадки выводом выбраны, исходя из предельно допустимых смещений для изделий электроники класса 1,2 (перекрытие 50%) и класса 3 (перекрытие 75%) в соответствии со стандартом IPC-A-610. Этот способ учитывает совместное влияние ошибок по всем осям, т.к. смещение вывода относительно контактной площадки является результатом комбинации ошибок по X, Y и углу θ.

Кроме того, остается и традиционный метод – указание точности отдельно для каждой оси автомата (X, Y, θ).

Взаключении отметим, что установка одного вида компонентов на плату не является идеальной моделью реальных производственных условий. Преимущества такого подхода в том, что он позволяет по единым критериям сравнить оборудование различных производителей.

Точность автоматов установки, указанная в технической спецификации с привязкой к сигмам, – величина, полученная с идеальными платами и компонентами, с систематической погрешностью, близкой к нулю (на откалиброванной машине). В реальных производственных условиях на реальных компонентах и ПП точность будет отличаться от заданной. Для поддержания точности необходимо регулярное техническое обслуживание и периодическая калибровка автоматов.

3.7.Реальная производительность автоматов

Производительность – одна из наиболее важных характеристик автоматов установки ПМИ. В зависимости от производительности производится выбор той или иной модели автомата с учетом требуемой программы выпуска. При этом пользователи зачастую сталкиваются с тем, что указанные в технической спецификации значения производительности на практике оказываются недостижимыми. В чем же здесь проблема?

В технической спецификации на автомат, как правило, указываются два параметра: максимальная производительность и производительность по IPC9850.

Максимальная производительность определяется по методике, определяемой производителем. Эту величину можно рассматривать как теоретически возможную производительность.

Производительность по IPC9850 подтверждается по методике, рассмотренной выше. Эта величина служит для сравнения автоматов разных производителей.

На реальную производительность, которая, как правило, составляет 50-70% от максимальной по спецификации, оказывают влияние следующие факторы:

∙размеры ПП;

82

∙расположение компонентов на ПП;

∙количество компонентов на ПП;

∙количество типономиналов;

∙наличие компонентов, критичных с точки зрения установки;

∙наличие опций у автомата.

Рассмотрим зависимость реальной производительности от каждого фактора в отдельности, так как анализ совместного влияния на производительность всех вышеперечисленных факторов крайне затруднителен.

Влияние размеров ПП на производительность состоит в следующем. При сборке больших ПП время, затрачиваемое установочными головками на перемещение от позиции захвата до позиции установки, больше, чем при сборке ПП с малыми размерами. По этой причине с увеличением размеров ПП производительность снижается.

Время движения установочных головок от позиций захвата к позициям установки также зависит от расположения компонентов на ПП. К примеру, если компоненты преимущественно расположены в той половине ПП, которая ближе к базе питателей (здесь имеются в виду автоматы, у которых питатели имеются только с одной стороны), то среднее время движения головки от позиции захвата к позиции установки будет меньше, чем в случае равномерного размещения компонентов по ПП. Это будет тем заметнее, чем больше размеры ПП и выше количество компонентов на ПП.

Производительность

Максимально достижимая производительность

Количество компонентов на ПП

Рис. 3.40. Зависимость производительности автомата от количества компонентов на ПП

Зависимость производительности автомата от количества компонентов показана на Рис. 3.40. При относительно малом количестве компонентов на ПП производительность существенно ниже максимальной. Это объясняется тем, что затраты времени на транспортировку и фиксацию ПП в рабочей зоне автомата, считывание реперных знаков, смену вакуумных захватов и другие действия, которые непосредственно не являются установкой, сопоставимы со временем установки. С ростом количества компонентов на ПП производительность повышается и стремится к максимально достижимой. Очевидно, что это происходит потому, что время на непосредственную установку относительно большого количества компонентов много больше времени считывания реперных знаков и транспортировки ПП.

От количества типономиналов во многом зависит сложность подбора оптимального расположения питателей в целях максимизации производительности. Когда количество типономиналов невелико, проще выработать такое расположение питателей, которое позволяет производить одновременный захват нескольких компонентов, имеющих близкие позиции установки на ПП и, тем самым, повысить производительность автомата.

Наличие компонентов, критичных с точки зрения установки, снижает реальную производительность. Установка компонентов с малым шагом выводов, как правило, требует центрирования СТЗ на основе ПЗС-камеры, при котором необходима остановка головки с захваченным компонентом над камерой. Кроме того, обычно перемещение таких компонентов осуществляется на пониженной скорости. Если при сборке ПУ

83

производится установка большого количества типономиналов, то может потребоваться смена вакуумных захватов, которая, если не осуществляется “на лету”, приведет к увеличению времени цикла установки.

Наличие опций, как правило, увеличивает реальную производительность автомата. Например, оборудование автомата дополнительной камерой для центрирования компонентов у задней базы питателей позволит исключить необходимость перемещения компонентов, захваченных с питателей, расположенных с задней стороны автомата, к камере с передней стороны. Это, естественно, приведет к повышению производительности. На сколько? В зависимости от того, какое количество компонентов, размещено на задней базе питателей.

Еще один показательный пример – применение систем перемещения питателей (тележек). Данные системы позволяют заметно снизить время переналадки автомата, так как снаряжение питателей может производиться вне автомата, что сводит переналадку лишь к замене одних тележек на другие.

Отметим, что описанное выше влияние различных факторов на реальную производительность не претендует на полноту, а приведенные примеры лишь иллюстрируют, как может проявляться это влияние.

При работе автомат установки компонентов тратит время не только непосредственно на установку, но и на считывание реперных знаков, транспортировку ПП. Кроме этого время тратится на повторный захват компонентов, перезарядку питателей, вмешательство оператора. Коэффициент использования автомата, как правило, не превышает 0,75.

Время работы

Рис. 3.41. Коэффициент использования автомата

Реальная производительность автомата может быть рассчитана как произведение максимальной производительности на коэффициент понижения производительности и на коэффициент использования автомата.

При объединении в линию нескольких автоматов производительность линии не будет равна сумме производительностей каждого автомата. Неизбежен дисбаланс, т.е. один автомат будет загружен несколько больше другого.

Вообще говоря, линии поверхностного монтажа представляют собой линии «бутылочного горлышка». Производительность линии настолько велика, насколько велика производительность самой низкопроизводительной установки. Обычно самыми «низкопроизводительными» являются автоматы установки компонентов. В этом случае повысить производительность линии можно только путем оптимизации программ и балансировки автоматов с помощью соответствующего программного обеспечения.

84

Однако в реальном производстве могут сложиться ситуации, когда «бутылочным горлышком» будет являться, например, операция нанесения пасты или пайки оплавлением. Это может произойти в случае сборки плат с очень малым количеством устанавливаемых компонентов или если соответствующее оборудование подобрано без должного запаса по производительности. В этом случае для повышения производительности должны быть исследованы соответствующие резервы, однако необходимо иметь в виду, что определяющим является качество выпускаемых печатных узлов.

Существенное влияние на общую производительность линии оказывают и организационные факторы:

∙организация переналадок,

∙организация оперативного снабжения компонентами линии сборки,

∙организация работы операторов (своевременная подготовка питателей до, а не по факту остановки автомата) и т.д.

При плохой или неправильной организации производства коэффициент использования линии может не превышать 50%.

Вышеизложенные соображения приведены для того, чтобы подчеркнуть тот факт, что при оценке необходимой производительности линии следует ориентироваться не только на максимальную производительность автоматов установки компонентов, но и учитывать всю совокупность факторов, снижающих производительность.

3.8. Литература

1.A Comparison of SMD Placement Machine Concepts. Sief van Gastel, Assembleon BV

2.SMD placement. Brian Sloth Bentzen, SMT in FOCUS

3.R. J. Klein Wassink, M. M. F. Verguld. Manufacturing Techniques for Surface Mounted. Assemblies. Electrochemical Publications Ltd., 1995

85

4. Пайка оплавлением

4.1. Введение

Групповая пайка компонентов, установленных на плате, в зависимости от применяемой технологии может проводиться методом оплавления паяльной пасты, волной припоя и методом селективной пайки.

Для проведения пайки оплавлением используются различные способы нагрева. Самыми распространенными из них являются конвекционный нагрев, который осуществляется горячим воздухом, и ИК-нагрев.

Пайка оплавлением проводится в камерных или конвейерных печах. В первом случае отработка профиля пайки осуществляется путем изменения температуры внутри камеры со временем, а во втором – перемещением платы по конвейеру через несколько зон печи – через зоны предварительного нагрева, зоны пайки и зоны охлаждения, каждая из которых имеет свою температуру. Как правило, максимальная температура пайки свинцовосодержащего припоя составляет 210-220°C. Плата находится в печи при максимальной температуре в течение нескольких десятков секунд, после чего производится ее охлаждение.

В ряде случаев применяется пайка в инертной среде, при которой осуществляется впуск азота в рабочую область печи. Эта операция используется для сведения к минимуму процесса окисления. Приведем значение некоторых ключевых параметров печей конвекционного оплавления. Для конвейерных печей имеет значение ширина конвейера (до 505 мм), для камерных – площадь рабочей области (до 350x500 мм). Максимальная рабочая температура может достигать 350 °C. Количество зон колеблется от 3 зон нагрева и 1 зоны охлаждения до 12 зон нагрева и 4 зон охлаждения в больших промышленных установках. Длина печи может быть от 1 до 9 метров.

Компетентность

Материалы Персонал

Рис. 4.1. Факторы, влияющие на качество пайки оплавлением

4.2. Классификация печей оплавления по способу нагрева

Классификация печей оплавления по способу нагрева приведена на Рис. 4.2.

Методы нагрева

Рис. 4.2. Классификация печей оплавления по способу нагрева

86

При нагреве методом принудительной конвекции перенос энергии, зависящий от скорости воздуха и его температуры, происходит на границе с поверхностью платы. Существенным преимуществом конвекционного метода нагрева является то, что максимально возможной температурой нагрева платы и компонентов является температура воздуха, что позволяет не допускать перегрева чувствительных компонентов. При конвекционном нагреве компоненты нагреваются до примерно одной и той же температуры, разница температур невелика, имеет место лишь разница во времени нагрева.

Нагрев ИК-излучением характеризуется высокой интенсивностью, но его главный недостаток состоит в том, что излучение различной длины волны неодинаково нагревает разные компоненты и участки платы. Интенсивность нагрева зависит от цвета компонентов. Компоненты в темных корпусах нагреваются быстро, в светлых - медленно.

Врезультате плата нагревается неравномерно, причем неравномерность распределения температур на различных участках платы может достигать 40˚. На плате могут возникать теневые зоны, если крупные компоненты отбрасывают тень на небольшие. Отработка режима пайки в таких печах представляет собой довольно сложную задачу. Часто в печах с инфракрасным нагревом задаются не температуры в зонах печи, а проценты мощности нагревателей. Установленные в печь термопары регистрируют температуру в рабочей зоне печи. Температура на плате может существенно отличаться от показаний термопар и неограниченно возрастать в зависимости от цвета платы.

Высокая эффективность – преимущество нагрева посредством теплопроводности, но данный метод непригоден для производственных нужд из-за коробления плат и возможного наличия компонентов с нижней стороны.

Метод нагрева с помощью конденсации, известный как пайка в паровой фазе, не нашел широкого применения. Этот метод заключается в том, что в зоне пайки плата попадает в среду нагретого до температуры порядка 240˚С насыщенного пара, при конденсации которого на плате выделяется теплота, достаточная для расплавления пасты.

Вкачестве агента используются фтороуглеводороды. Недостатком данного способа является, во-первых, то, что градиент температуры в зоне пайки очень высок, и, вовторых, платы после пайки необходимо отмывать от агента. Процесс пайки в паровой фазе отличается высокой стоимостью. Такие печи не нашли широкого распространения в промышленности, и занимают вполне определенную нишу – пайка плат очень большого размера.

4.3.Профиль пайки. Требования к профилю пайки. Измерение профилей пайки

4.3.1. Профиль пайки и требования к нему

На формирование температурного профиля пайки оказывают влияние следующие факторы:

∙паяльная паста;

∙технологическое оборудование;

∙компоненты;

∙печатные платы.

Температурный профиль пайки состоит из четырех стадий: предварительного нагрева, стабилизации (зоны температурного выравнивания), оплавления и охлаждения (Рис. 4.3). Принято выделять традиционный и новый (линейный) профили пайки, причем принципиальными отличиями последнего от первого являются большая продолжительность стадии предварительного нагрева и более короткая стадия стабилизации, что приводит к более низкой скорости нагрева компонентов.

87

приводить к повреждению компонентов, разбрызгиванию шариков припоя, образованию перемычек. Однако если скорость предварительного нагрева низка, то может происходить окисление контактных поверхностей и частиц припоя.

Стадия стабилизации. Эта стадия, называемая также “стадией температурного выравнивания”, позволяет обеспечить равномерное распределение температур по плате. Повышение температуры на этой стадии происходит очень медленно. Максимальная активация флюса происходит при температуре около 150°С. Рекомендуемое время стабилизации для традиционного профиля составляет 90-150 сек. (максимальное 5 мин.). Для нового типа профиля время стабилизации, равное 30 сек., считается достаточным. В конце зоны стабилизации температура обычно достигает 150-170°С.

Стадия оплавления. Для исключения чрезмерного роста интерметаллического соединения температура пайки должна не более чем на 30-40°С превышать точку плавления паяльной пасты. Например, для наиболее распространенных свинцовосодержащих сплавов Sn62/Pb36/Ag2 и Sn63/Pb37 температура пайки должна быть в пределах 205-225°С. Низкая температура пайки (195-205°С) обеспечивает слабую смачиваемость, особенно для компонентов с плохой паяемостью, поэтому температуру на стадии оплавления устанавливают немного выше – в пределах 215-225°С, при скорости повышения температуры 2-4°С. Рекомендуемое время выше точки плавления составляет 30-60 сек. Для массивных плат время выше точки плавления может быть увеличено до 90120 сек. Высокая температура (240-260°С) и время пайки (более 120 сек.) способствуют росту интерметаллического соединения. Чрезмерный рост интерметаллического соединения увеличивает хрупкость паяного соединения и ухудшает его внешний вид.

Стадия охлаждения. Для обеспечения максимальной прочности паяных соединений скорость охлаждения должна быть максимальной. В тоже время высокая скорость охлаждения может вызывать термоудар по электронным компонентам. С другой стороны, медленное охлаждение может приводить к интенсивному росту интерметаллического соединения, таким образом, паяное соединение становится более твердым, но хрупким. Рекомендуется проводить охлаждение со скоростью 3-4°С/сек. до температуры ниже 130°С. Ниже 130°С скорость охлаждения может быть меньше, так как она уже не влияет ни на качество паяных соединений, ни на электронные компоненты.

Таким образом, окончательный выбор режимов производится технологом исходя из конструкции и материала печатной платы, типа и размеров компонентов, количества и плотности размещения компонентов на печатной плате, а так же типа паяльной пасты. При выборе профиля пайки следует учитывать, что реальная температура на плате в процессе пайки будет ниже заданной в печи. Разница между реальной и заданной температурами в печи зависит от конструкции печи, количества слоев и размера платы, размера и плотности размещения компонентов.

4.3.2. Измерение профилей пайки

Измерение температурных профилей пайки производится в соответствии со стандартом IPC-7530. Температурные профили измеряют с помощью устройств, пропускаемых через печь вместе с платой (например, ERSA Shuttle). Термопары подсоединяются к различным точкам платы. Результаты измерения температур записываются во внутреннюю память устройства. После прохождения через печь устройство измерения подключается к компьютеру, с помощью которого обрабатываются результаты измерения.

Рекомендуется применять минимум две термопары, подсоединяемые к точкам, предположительно имеющим максимальную и минимальную температуру. Максимальная температура на плате наблюдается ближе к свободным краям печатной платы, а минимальная температура рядом с крупногабаритными компонентами в центре печатной платы

Используются следующие способы крепления термопар к плате:

89

∙подпайка высокотемпературным припоем (Рис. 4.5, а);

∙крепление на термопроводящий клей (Рис. 4.5, б);

∙крепление с помощью термоскотча (Рис. 4.5, в).

а) б) в)

Рис. 4.5. Способы крепления термопар к плате: а – подпайка высокотемпературным припоем, б – крепление на термопроводящий клей, в – крепление с помощью термоскотча

Подпайка высокотемпературным припоем – это быстрый и надежный метод закрепления термопар. Этот способ обеспечивает наиболее достоверные результаты измерения температуры. При подпайке необходимо обращать внимание на то, чтобы не было нанесено слишком большое количество припоя. В этом случае измерение температуры может быть сопряжено с большой погрешностью.

Недостатком крепления термопар с помощью эпоксидного клея является то, что клей должен быть отвержден до того, как плата будет использоваться для измерения. Иногда клей растекается слишком сильно или излишек клея начинает влиять на точность измерения.

Крепление с помощью термоскотча – быстрый, но наименее точный способ. Достоверность измерений температуры зависит от правильного присоединения

термопар. На Рис. 4.6 показаны термопары, присоединенные к компоненту QFP100 различными способами. Нагрев производился горячим воздухом с постоянной температурой. В результате проведенных измерений оказалось, что разница измеренных температур составила 24.5°!

Рис. 4.6. Прикрепление термопар к микросхеме в корпусе QFP100

1.Провода термопары перекручены. В этом случае будет измеряться температура в месте первого контакта проводов. В данном случае измеряется температура окружающей среды.

2.Правильное присоединение термопары тугоплавким припоем.

3.Присоединение термопары клеем. Разница в температурах по сравнению со вторым случаем объясняется худшим термическим контактом.

90