Лекция 9.
Тема. Технологические операции подготовки конструктивов к сборке и
монтажу. Средства реализации. Варианты сборки и монтажа ячеек
ЭВС, в том числе с применением техники поверхностного монтажа
Общие сведения о сборке и монтаже электронных устройств
Технологический процесс (ТП) сборкиэлектронных устройств (ЭУ) реализуется с целью получениямеханических соединениймежду конструктивами ЭУ для придания неподвижности конструктивам на этапе монтажа и (или) для обеспечения прочностных свойств изделия на весь его жизненный цикл. В то же время ТПмонтажареализуется с целью созданияэлектрических соединениймежду конструктивами ЭУ. Прочность электрических соединений, как правило, нормирована для каждого метода монтажа. Сборка всегда предшествует монтажу, но на отдельных этапах всего ТП изготовления ЭУ(например, общая механическая сборка конструктивов в корпусе разъемной, негерметичной конструкции) может осуществляться без монтажа. В то же время монтаж без сборки не осуществляется, даже если в некоторых ТП сборка и монтаж выполняются совместно (например, при монтаже БИС с шариковыми выводами).
Повторяемость (цикличность) сборочных и монтажных технологических операций (ТО) зависит от:
уровня изготавливаемого модуля (ячейки, блока и т.д.);
степени сложности и разнообразия конструкций корпусов компонентов и самих компонентов (их габаритов и массы, формы выводов и их расположения относительно корпуса, потребности в теплоотводах и т.д.), а также других конструктивов;
потребности в одно- или двухсторонней сборке и монтаже на печатной плате;
совместимости технологических режимов сборочных ТО для различных конструктивов, и (или) монтажных ТО для разных конструктивов (при несовместимости – повторяемость сборочных и (или) монтажных ТО увеличивается);
степени и уровня автоматизации ТП сборки и монтажа (степень автоматизации оценивается отношением количества ТО, выполняемых автоматами к общему количеству ТО данного ТП и выражается в процентах; уровень автоматизации характеризуется количеством ТО либо переходов, одновременно выполняемых автоматами в единицу времени).
На сборку, а затем на монтаж , например, ячеек ЭВС, обычно поступают следующие конструктивы: навесные компоненты (НК) – дискретные пассивные и активные электрорадиокомпоненты (ЭРК), интегральные схемы и прочие изделия электронной техники (ИЭТ); узлы (печатные платы (ПП), объемные соединители, а иногда поступают и контактные панельки, гибкие шлейфы и др.), а в некоторых случаях и детали (рамки, теплоотводы, крепеж и т.д.)
Так как промежуток времени между подготовкой конструктивов и сборкой должен быть минимальным, то обычно подготовительные операции относят к ТП сборки ячеек ЭУ.
Подготовка конструктивов к сборке и монтажу ячеек эвс
Перед сборкой на ПП конструктивы (обычно после входного контроля) должны быть подготовленными с удостоверенным уровнем качества (в соответствии с технологической документацией (ТД)) для качественного выполнения сборки и монтажа).
Подготовка НК, предназначенных для сборки и монтажа в отверстиях ПП, т.е. традиционно-монтируемых компонентов (ТМК) включает: распаковку ТМК, рихтовку, зачистку, формовку, обрезку, флюсование и лужение выводов, размещение НК в технологической таре для сборки либо на ленте, нередко рассчитанных на загрузочные узлы сборочных автоматов.
Распаковка сводится к извлечению компонентов из установочной тары и, в зависимости от формы поставки НК, может выполняться до входного контроля НК (если упаковочная тара не рассчитана на выполнение контрольных операций), либо непосредственно перед подготовкой выводов НК. В этих случаях НК перекладывают из упаковочной тары (из магазинов, пеналов, специальных тар-спутников, упаковочных лент и т.д.) в различные промежуточные технологические тары (кассеты) часто с применением унифицированных модулей распаковки в составе автоматической линии подготовки НК.
Исключение могут составлять поверхностно-монтируемые компоненты (ПМК), поставляемые на специальных пластиковых двухслойных лентах (несущей, ячеистой и перфорированной, и защитной, антистатической покровной и перфорированной), пригодных для автоматизированного входного контроля и для сборки на поверхности ПП с применением сборочных автоматов. Такие ПМК чаще всего поставляются подготовленными к сборке и после входного контроля (включающего в том числе оценку паяемости) распаковываются на сборочном автомате. В этом случае распаковывание является одной из операций процесса сборки.
Формовку и предшествующие ей (при необходимости) операции рихтовки (выпрямления) и зачистки выводов НК выполняют с целью увеличения расстояний между выводами, что обеспечивает их совмещение с монтажными отверстиями ПП (для ТМК) либо контактными площадками знакомест (для ПМК), а также придания выводам необходимой формы (конфигурации), чтобы обеспечить их закрепление (фиксацию) на ПП во время сборки и, при необходимости, фиксировать расстояния от корпуса НК до платы. В сущности, формовка – это гибка выводов НК, причем радиус гибки и механическое воздействие на выводы НК не должны нарушать форму сечения вывода и его покрытия, а также не повреждать сам компонент.
Существует большое разнообразие приспособлений и технологического оборудования, включая автоматическое, для индивидуального и последовательно-совмещенного (в одной подготовительной установке) выполнения рихтовки, зачистки и формовки выводов, а иногда и следующих подготовительных операций. В частности, рихтовка, зачистка, формовка и обрезка аксиальных и радиальных выводов НК осуществляется на групповой, чаще всего автоматизированной, технологической оснастке, представляющей собой штамп (формующий, отрезной) с пневматическим приводом и набором сменных насадок пуансонов и др. деталей. Производительность такого оснащения во многом определяется механизмом подачи НК (при ручной подаче – 1500…3000 НК/ч, из вибробункера – 5…10тыс НК/ч, с ленты – до 20тыс НК/ч). Автомат для комплексной подготовки ТМК, после их распаковки, входного контроля и загрузки из технологической тары в вибробункер, схематически показан на рис.9.1, его производительность составляет 50 НК/мин.
Подготовка НК (в частности, ИС с планарными выводами) может осуществляться и на автоматической линии, включающей унифицированные модули распаковки, формовки и обрезки выводов, флюсования и лужения, а также укладки в технологические кассеты. Каждый модуль линии оснащен комплектами кассет для загрузки и выгрузки (например, в линии ГГМ2.249.020 используется 18 кассет с 50 ИС в кассете; производительность линии составляет 900 ИС/ч).
Обрезка выводов НК необходима для получения требуемой по ТД длины выводов, так как обычно предприятия-изготовители поставляют НК с удлиненными выводами. Обрезать их можно на разных этапах технологического процесса сборки и монтажа ЭУ, например, сразу после формовки в одном штампе, снабженном ножами (или гильотинными ножницами), что наиболее часто используется; перед формовкой, что гораздо реже используется так как в этом случае труднее выдерживать нужный размер выводов; на последующих этапах, т.е. во время сборки вручную либо на полуавтоматах, например, когда НК сначала выкусываются из липкой ленты-носителя , облуживаются, а затем окончательно обрезаются после закрепления НК на ПП, либо после их монтажа на ПП, что требует повышенного расхода материалов для флюсования и лужения.
Лужение (облуживание) выводов представляет собой процесс нанесения, чаще всего, расплавленного припоя на выводы НК для обеспечения их хорошей паяемости при монтаже ЭУ. Качество облуживания выводов обеспечивается не только физико-химической совместимостью материала вывода с материалом припоя, но и за счет предварительного (перед нанесением припоя) флюсования выводов (нанесением жидкого флюса, например, окунанием выводов в спиртовой раствор канифоли).
Рис.9.1. Схема автомата для комплексной подготовки компонентов с аксиальными выводами; 1 – транспортер; 2 – ЭРК; 3 – вибробункер; 4 – механизм рихтовки; 5 – механизм зачистки; 6 – механизм обрезки; 7 – механизм флюсования и облуживания; 8 – механизм формовки; 9 – механизм разгрузки.
Флюс способствует удалению оксидов и прочих загрязнений с поверхности выводов и, тем самым, улучшению смачивания и растекания припоя по поверхности выводов.
Операция облуживания состоит в погружении выводов в ванну с расплавленным припоем, нагретым до 200-230С, т.е. до температуры, близкой к температуре пайки (при этом на границе раздела вывод-припой образуется интерметаллическое соединение толщиной 0,3-0,8 мкм, обеспечивающее наилучшую адгезию припоя к выводу). Минимальное расстояние от поверхности расплавленного припоя до корпуса ТМК должно быть не менее 1,3 мм. Если припой по каким-либо причинам нельзя наносить из расплава в ванне или с помощью паяльника, то облуживание осуществляют путем холодной напрессовки припоя на выводы (например, в виде полосок сечением 0,30,8 мм, или специально формованных заготовок припоя в виде кусочков лент, шайбочек и др.), либо дозированным нанесением припойной пасты. Наиболее эффективны способы лужения: путем погружения в ванну с расплавленным припоем (или в волну припоя), что обеспечивает лучшую паяемость выводов НК, по сравнению с другими способами, и более длительную сохранность паяемости; а также путем дозированного переноса припоя с использованием припойной пасты, вспомогательной неметаллизированной платы (на которую паста в форме знакомест наносится трафаретной печатью), а выводы компонентов устанавливаются на знакоместа из припойной пасты, после чего паста оплавляется (ИК-нагревом, горячим инертным газом и т.п.), припой и флюс в пасте оплавляются и облуженные выводы компонентов легко отделяются от вспомогательной платы. Достоинства последнего способа аналогичны лужению из расплава припоя в ванне и, кроме того, включают возможность высокоточной дозировки припоя, что позволяет в дальнейшем существенно повысить прочность паянных соединений и точность сборочно-монтажных работ (последнее в большей степени относится к ПМК).
Иногда после облуживания выводы НК очищают от оставшихся на них продуктов взаимодействия флюса с припоем и материалом выводов, причем очиститель чаще всего выбирают в виде смеси полярного и неполярного органических растворителей, а технология очистки зависит от типа производства, конструкции НК и разновидности материала флюса, используемого при облуживании выводов.
Для повышения производительности процесса сборки, особенно при помощи автоматов, НК после их подготовки упаковываются в технологические кассеты для сборки либо вклеиваются в липкую ленту, причем тип компонентов и последовательность приклейки задается программой сборки. В последнем случае применяются комплектующие автоматы приклейки НК, производительность которых колеблется от 2 до 15тыс НК/ч в зависимости от типа НК. Отечественный автомат приклейки НК (например, ГГМ1.139.001) характеризуется параметрами: длина корпуса вклеиваемого ЭРК – 6…20мм; диаметр корпуса – 2…8 мм; длина вывода – 20…25 мм; диаметр вывода – 0,6…1,0 мм; ширина ленты – 60…80 мм; ширина вклейки 53, 63, 75 мм; шаг вклейки 5, 10, 15 мм; число программируемых ЭРК – 20.
Подача на сборку НК из магазинов является более дешевым способом (из-за многократного использования), но подача с ленты более универсальна, так как совместима с загрузочными устройствами большинства сборочных автоматов и удобна для контроля функциональных параметров НК.
Подготовка ППвключает их распаковку и размещение в технологической таре, входной контроль, обезжиривание, оплавление припойного покрытия (если оно имеется) в нагретом теплоносителе (например, в глицерине) или ИК-излучением, очистку, а также маркировку и контроль паяемости. Если припойное покрытие на ПП отсутствует, то обязательно выполнение операции флюсования и облуживания с использованием волн флюса и припоя, либо обычного окунания в жидкий флюс и расплавленный припой, либо способов переноса материалов для пайки на ПП с помощью различных инструментов. При наличии среди НК поверхностно-монтируемых компонентов подготовительные работы могут включать операции по формированию припойных покрытий (например, припойной пасты, наносимой трафаретной печатью) на коммутационных элементах ПП (подлежащих облуживанию) с предварительным выполнением очистки (например, в трихлорэтане), либо легкого протравливания (просветления) в слабом травителе.
Маркировочные знаки на ПП наносят с применением трафаретной либо переносной (офсетной) печати.
Подготовка прочих конструктивов(объемных соединителей, гибких шлейфов и др.) осуществляется в соответствии с ТД на каждую операцию и может включать: распаковку; удаление изоляции (при необходимости); зачистку; очистку (обезжиривание) поверхностей, подлежащих монтажу; обрезку по нужному размеру; флюсование и лужение с последующей очисткой (при неоходимости) и др. Средства реализации этих ТО выбираются в зависимости от степени сложности конструктива, типа производства и эффективности применяемого способа.