DIP-монтаж
Федеральное
агентство по образованию РФ
РГРТУ
Курсовая
работа
на
тему: «DIP - монтаж»
Рязань, 2008
Типы SMT сборок
В электронной промышленности существует шесть
общих типов SMT сборки, каждому из которых соответствует свой порядок
производства. Существует специальный стандарт, в котором представлены основные
виды сборок, разбитые по классам. и IPC документация по поверхностному монтажу
на платы, IPC-7070, J-STD-013 и National Technology Roadmap for Electronic
Interconnections включают классификацию следующих схем поверхностного монтажа:
Тип 1 - монтируемые компоненты установлены
только на верхнюю сторону или interconnecting structure
Тип 2 - монтируемые компоненты установлены на
обе стороны платы или interconnecting structure
Класс А - только through-hole (монтируемые в
отверстия) компоненты
Класс В - только поверхностно монтируемые
компоненты (SMD)
Класс С - смешанная: монтируемые в отверстия и
поверхностно монтируемы компоненты
Класс Х - комплексно-смешанная сборка:
through-hole, SMD, fine pitch, BGA
Класс Y - комплексно-смешанная
сборка:
through-hole, surface mount, Ultra fine pitch, CSP
Класс Z - комплексно-смешанная
сборка:
through-hole, Ultra fine pitch, COB, Flip Chip, TCP
Ниже будут рассмотрены основные варианты
размещения компонентов на плате, применяемые разработчиками.
Рис. 1- Тип 1В: SMT Только верхняя сторона
Этот тип не является общим так как большинство
разработок требует некоторых DIP компонентов. Его называют IPC Type 1B.
Порядок проведения процесса: нанесение припойной
пасты, установка компонентов, пайка, промывка.
Рис. 2 - Тип 2B: SMT Верхние и нижние стороны
На нижней стороне платы размещаются
чип-резисторы и другие компоненты небольших размеров. При использовании пайки
волной, они будут повторно оплавляться за счет верхнего (побочного) потока
волны припоя. При размещение больших компонентов с обеих сторон, типа PLCC,
увеличивают издержки производства, потому что компоненты нижней стороны должны
устанавливаться на специальный токопроводящий клей. Данный тип называется IPC
Type 2B.
Порядок проведения процесса:
нанесение припойной пасты, установка
компонентов, пайка, промывка нижней стороны;
нанесение припойной пасты на верхнюю сторону
печатной платы, установка компонентов, повторная пайка, промывка верхней
стороны.
Специальный тип: SMT верхняя сторона в первом
случае и верхняя и нижняя во втором, но PTH только верхняя сторона.
Рис. 3
Этот метод установки используется, когда имеются
DIP компоненты, в SMT сборке. Процесс включает размещение DIP компонентов,
вставляемых в отверстия перед SMT пайкой. При использовании данного метода
убирается лишняя операция пайки волной или ручной пайки PTH компонентов, что
значительно уменьшает стоимость изделия. Первое требование - способность
компонентов противостоять вторичной пайки. Кроме того, размеры отверстия платы,
контактные площадки и геометрия трафарета должны быть точно совмещены, чтобы
достичь качественной спайки. Плата должна иметь сквозные металлизированные
отверстия и может быть односторонней или двухсторонний, то есть компоненты
могут размещаться как с верхней так и с нижней стороны.
Обязательным требованием при использовании
данного метода является наличие сквозных металлизированных отверстий.
Порядок обработки односторонней печатной платы:
нанесение припойной пасты, установка SMT
компонентов, установка PTH компонентов, пайка, промывка верхней стороны.
Порядок обработки двухсторонней печатной платы:
нанесение припойной пасты, установка SMT
компонентов, повторное оплавление, промывка нижней стороны;
установка PTH компонентов, пайка, промывка
верхней стороны.
Рис. 4 - Тип 1С: SMT только верхняя сторона и PTH
только верхняя сторона
Данный метод является смешанной технологией
сборки. Все модули SMT и PTH установлены на верхней стороне платы. Допускается
установка некоторых компонентов монтируемых в отверстия (PTH) на верхней
стороне платы, где размещены SMT компоненты для увеличения плотности. Данный
тип сборки называется IPC Type 1C.
Порядок проведения процесса:
нанесение припойной пасты, установка,
оплавление, промывка верхней части SMT;
автоматическая установка DIP, затем осевых
компонентов (такие как светодиоды);
ручная установка других компонентов;
пайка волной PTH компонентов, промывка.
Рис. 5 - Тип 2С: SMT верхняя и нижняя стороны
или PTH на верхней и нижней стороне
Установка поверхностно монтируемых и монтируемых
в отверстия (DIP) компонентов с обеих сторон платы не рекомендуется из-за
высокой стоимости сборки. Эта разработка может требовать большого объема ручной
пайки. Также не применяется автоматическая установка PTH компонентов из-за
возможных конфликтов с SMT компонентами на нижней стороне платы. Данный тип
сборки называется IPC Type 2C.
Порядок проведения процесса:
нанесение припойной пасты, установка, пайка,
промывка верхней стороны SMT;
нанесение специального токопроводящего клея
через трафарет, установка, фиксация SMT;
автоматическая установка DIP и осевых
компоненты;
маскирование всей нижней стороны PTH
компонентов;
ручная установка других компонентов;
пайка волной PTH и SMT компонентов, промывка;
ручная пайка нижней стороны PTH компонентов.
Рис. 6 - Тип 2C: SMT только нижняя сторона или
PTH только верхняя
Данный тип предполагает размещение
поверхностного крепления с нижней стороны платы и PTH на верхней стороне. Он
также является одним из очень популярных видов размещения, т.к. позволяет
значительно увеличить плотность размещения компонентов. Тип имеет название IPC
Type 2C.
Порядок обработки (PTH конфликтов на нижней
стороне нет):
нанесения клея через трафарет, установка,
высыхания клея на нижней стороны SMT;
автоматическая установка DIP, затем осевых
компонентов;
ручная установка других компонентов;
пайка волной PTH и SMT компонентов, промывка.
Альтернативный порядок обработки (PTH конфликтов
на нижней стороне):
автоматическая установка DIP, затем осевых компонентов;
точечное нанесение клея (диспенсорный метод),
установка, высыхания клея на нижней стороны SMT;
ручная установка компонентов;
пайка волной PTH и SMT компонентов, промывка.
Рис. 7 - Тип 2Y: SMT верхняя и нижняя стороны
или PTH только на верхней стороне
Порядок проведения процесса (без размещения
поверхностно монтируемых (SMT) между ножками монтируемых в отверстия (PTH)
компонентов на нижней стороне платы):
нанесение припойной пасты, установка, пайка,
промывка верхней стороны части SMT;
нанесение клея через трафарет, размещение,
высыхание клея SMT на нижней стороне;
автоматическая установка DIP, а затем осевых
компонентов;
ручная установка других компонентов;
пайка волной PTH и SMT компонентов, промывка;
Альтернативный порядок проведения процесса (на
нижней стороне платы поверхностно монтируемых (SMT) компоненты размещены между
ножек монтируемых в отверстия (PTH)):
нанесение припойной пасты, размещение, пайка,
промывка верхней стороны части SMT;
автоматическая установка DIP, затем осевых
компонентов;
точечное нанесение клея (диспенсорным методом),
установка, высыхание клея на нижней стороны платы;
ручная установка других компонентов;
пайка волной PTH и SMT компонентов, промывка.
Рис. 8 - Технологический маршрут сборки печатных
плат
Технология монтажа в отверстия
Технология монтажа в отверстия (Through Hole
Technology, THT), также называемая иногда штырьковым монтажом, является
родоначальником подавляющего большинства современных технологических процессов
сборки электронных модулей. Также существует ряд распространенных, но не совсем
корректных названий данной технологии, например, DIP-монтаж (название
происходит от типа корпуса - Dual In-Line Package - корпус с двухрядным
расположением выводов, широко применяемого, но не единственного в данной
технологии) и выводной монтаж (название не совсем корректно, поскольку монтаж
компонентов с выводами применяется и во многих других технологиях, в т.ч. в
поверхностном монтаже).
Фактически данная технология появилась вместе с
началом использования монтажных плат, как метода выполнения электрических
соединений. До этого монтаж компонентов осуществлялся пространственно путем
крепления выводов компонентов к металлическим контактам на конструктивных
элементах устройства, либо соединением выводов компонентов между собой.
Применение монтажных плат перенесло конструирование узлов из пространства на
плоскость, что значительно упростило как процесс разработки конструкций, так и
изготовление устройств. Появление печатного монтажа в дальнейшем привело к
революции в технологичности и автоматизации проектирования электронных
устройств.
Технология монтажа в отверстия, как следует из
названия, представляет собой метод монтажа компонентов на печатную плату, при
котором выводы компонентов устанавливаются в сквозные отверстия платы и
припаиваются к контактным площадкам и/или металлизированной внутренней
поверхности отверстия.
Широкое распространение технология монтажа в
отверстия получила в 50-х - 60-х годах XX века. С тех пор значительно
уменьшились размеры компонентов, увеличилась плотность монтажа и трассировки плат,
было разработано не одно поколение оборудования для автоматизации сборки узлов,
но основы конструирования и изготовления узлов с применением данной технологии
остались неизменны.
В настоящее время технология монтажа в отверстия
уступает свои позиции более прогрессивной технологии поверхностного монтажа, в
особенности, в массовом и крупносерийном производстве, бытовой электронике,
вычислительной технике, телекоммуникациях, портативных устройствах и других
областях, где требуется высокая технологичность, миниатюризация изделий и
хорошие слабосигнальные характеристики.
Тем не менее, есть области электроники, где
технология монтажа в отверстия по сей день является доминирующей. Это, прежде
всего, силовые устройства, блоки питания, высоковольтные схемы мониторов и
других устройств, а также области, в которых из-за повышенных требований к
надежности большую роль играют традиции, доверие проверенному, например,
авионика, автоматика АЭС и т.п.
Также данная технология активно применяется в
условиях единичного и мелкосерийного многономенклатурного производства, где
из-за частой смены выпускаемых моделей автоматизация процессов неактуальна. Эта
продукция, в основном, выпускается небольшими отечественными предприятиями как
для бытового, так и для специального применения.
Некоторое время назад имела место ситуация,
когда выбор технологии монтажа в отверстия мог быть продиктован применяемыми
компонентами. Некоторые компоненты попросту не выпускались в корпусах для
поверхностного монтажа. Особенно это было актуально для нашей страны, поскольку
новинки доходили до нас с опозданием. Сейчас эта ситуация существенно
изменилась, и большинство компонентов общего применения можно найти либо в
обоих исполнениях, либо в исполнении для поверхностного монтажа, поскольку он
считается более прогрессивным. Исключение составляют силовые компоненты,
электромеханические реле, разъемы, большие переменные резисторы, панели ИМС и
некоторые другие компоненты, однако многие из них уже имеют аналоги для монтажа
на поверхность. Существует неоднозначное отношение к надежности
электролитических конденсаторов для поверхностного монтажа, а их танталовые
аналоги достаточно дороги, поэтому часто на платах среди поверхностного монтажа
можно встретить штыревые алюминиевые электролитические конденсаторы. Все это
обуславливает необходимость применения технологии смешанного монтажа
(одновременного наличия на ПП SMT- и THT-компонентов).
Технология установки THT-компонентов
относительно проста, хорошо отработана, допускает ручные и автоматизированные
методы сборки, хорошо обеспечена сборочным оборудованием и технологическим
оснащением. В данной статье кратко рассмотрены основные операции
THT-технологии.
Компоненты
ЭК, используемые в технологии монтажа в
отверстия, по типу корпуса можно разбить на следующие основные группы (примеры
корпусов приведены на рис. 9):
а) ЭК с осевыми (часто встречается обозначение
axial, аксиальными) выводами;
б) ЭК с радиальными выводами (radial);
в) SIL, SIP (Single In-Line Package) -
многовыводной корпус с однорядным распо ложением выводов;
г) DIP (Dual In-Line Package) - корпус с
двухрядным расположением выводов;
д) разъемы, слоты;&
е) панели для ИС, в том числе DIP; ZIF (Zero
Insertion Force, панели с нулевым усилием вставки для штырьковых ИС); PGA (Pin
Grid Array, панели для штырьковых ИС с матрицей выводов);
ж) различные компоненты сложной формы.
Рис. 9 - Примеры THT-компонентов: а) с осевыми
выводами; б) с радиальными выводами; в) в корпусах SIL; г) в корпусах DIP; д)
разъемы; е) панели для ИС; ж) ЭК сложной формы
Такое разделение компонентов, прежде всего,
связано с особенностями технологии их монтажа. Так, например, осевые и
радиальные выводы компонентов требуют формовки и обрезки, тогда как большинство
других компонентов в этом не нуждаются. При формовке выводов, и как следствие,
последующей установке компонентов с осевыми выводами они имеют дополнительную
степень свободы (вращение вокруг оси), поэтому их маркируют цветными кольцами
(см. рис. 9а), исключающими установку «маркировкой вниз».
Также есть различия в механизмах захвата,
базирования и фиксации разных групп компонентов, поэтому часто компоненты в
разных корпусах устанавливаются каждый на своем оборудовании.
Типичная последовательность операций
Технологический процесс сборки ПП на основе
THT-технологии состоит из следующих типовых этапов:
подготовка выводов ЭК (формовка, обрезка), часто
совмещается с автоматизированным монтажом;
установка компонентов (ручная, автоматическая);
пайка (волной припоя, ручная, селективная);
отмывка (ультразвуковая, струйная).
На некоторых предприятиях сохранилась
технология, при которой из-за проблем с покрытиями выводов и хранением
компонентов подготовка выводов включала в себя предварительное лужение, однако
современная технология этого не предусматривает благодаря качественной упаковке
и покрытию выводов современных компонентов. Ниже рассмотрены данные операции в
порядке выполнения.
Подготовка выводов ЭК
Выводы ЭК перед монтажом должны быть специальным
образом подготовлены. Цель подготовки:
выравнивание (рихтовка) выводов (если
требуется);
обеспечение необходимого монтажного расстояния
между выводами;
зазора между ПП и компонентом (если требуется);
фиксации ЭК на ПП при ручном монтаже либо до
поступления платы в установку пайки.
Зазор обычно обеспечивается приданием выводам ЭК
соответствующего изгиба - т.н. «опорного зи́га»
(рис. 2а); самофиксация ЭК на ПП перед групповой пайкой - особым изгибом части
вывода, входящей в отверстие ПП - замка́ (рис.
2б). Одновременное выполнение зига и замка носит название «зиг-замо́к».
Также возможно крепление ЭК следующими методами:
обеспечением пружинения выводов;
посадкой на клей (клей полимеризуется при
комнатной температуре, при этом для стеклянных корпусов может понадобиться
надевание трубки на часть корпуса, контактирующую с адгезивом; также необходимо
обеспечить достаточное количество клеевых точек для крепления тяжелых ЭК);
подпайкой выводов (применяется при ручном
монтаже - например, подпайка двух диагонально расположенных выводов разъема);
подгибкой (полной либо частичной - на угол от 0
до 45° от плоскости ПП и только для выводов диаметром менее 0,7 мм (более - в
технически обоснованных случаях); необходимо обеспечить минимально допустимое
расстояние от загнутого вывода до соседних КП/выводов/проводников; следует
осуществлять подгибку вдоль печатного проводника, если в конструкторской
документации нет других указаний);
с использованием различных держателей (хомутов,
металлических скоб, клипс, зажимов).
Тяжелые элементы (например, трансформаторы) или
элементы, подверженные механическим воздействиям (тумблеры, потенциометры,
подстроечные конденсаторы), устанавливаются с помощью особых держателей. Такие
держатели обеспечивают надежное механическое крепление соответствующих
элементов к ПП и предотвращают обрыв и поломку выводов под воздействием
механических нагрузок.
Рис. 10 - Обеспечение с помощью формовки выводов
ЭК: а) зазора между ПП и компонентом (опорный зиг); (б) самофиксации ЭК на ПП
(замо́к)
Формовку круглых или ленточных выводов элементов
производят с помощью ручного монтажного инструмента либо специальных
полуавтоматических устройств таким образом, чтобы исключались механические
нагрузки на места крепления выводов к корпусу. При формовке выводов не
допускается их механическое повреждение, нарушение защитного покрытия, изгиб в
местах соединения вывода и корпуса, скручивание относительно оси корпусов,
растрескивание стеклянных изоляторов и пластмассовых корпусов.
Основные ограничения (рис. 11) накладываются на
размер от корпуса ЭК до оси изогнутого вывода (L) и внутренний радиус изгиба
выводов (R). Минимальный размер L в зависимости от типа ЭК находится в пределах
0,75 - 4 мм (но не менее 2·D выводов); размер R зависит от диаметра вывода и
составляет минимум 0,5 - 1,5 мм (но не менее (1-2)·D выводов). Также на выводах
не должно быть деформаций и утонений, превышающих 10% от диаметра, ширины либо
толщины вывода.
Рис. 11 - Основные параметры формовки
Несоблюдение данных рекомендаций может привести
к образованию избыточных напряжений в месте крепления вывода к корпусу ЭК и в
области изгиба вывода и, как следствие, появлению в этих местах трещин и,
возможно, обрывов, в особенности при механических воздействиях на собранный
узел. Не допускается изгибать жесткие выводы (лепестки) транзисторов и диодов
средней и большой мощности, так как это может привести к растрескиванию их
стеклянных изоляторов и нарушению герметичности корпусов.
Расстояние от корпуса до места пайки должно быть
не менее 2,5 мм, если не приняты меры к дополнительному теплоотводу в процессе
пайки.
Не осуществляют формовку, подгибку и обрезку при
установке многовыводных ЭК (ИС в DIP-корпусе и пр.). Для них может проводиться
исключительно рихтовка (выравнивание) выводов, если в этом есть необходимость.
Устройства формовки выпускаются с механическим и
электрическим приводом подачи ЭК, а также механическим либо пневматическим -
самого устройства формовки. Загрузка компонентов производится из лент,
трубчатых кассет, россыпи. Геометрические параметры формовки регулируются;
установки оснащаются сменными формовочными матрицами. Специальная конструкция
матриц формовочных устройств обеспечивают отсутствие избыточных напряжений и
зазубрин на материале в месте изгиба вывода. Примеры отформованных выводов
различных THT-компонентов приведены на рис. 12.
Рис. 12 - Примеры формовки выводов ЭК с осевыми
(а) и радиальными (б) выводами
Существуют автоматические счетчики выводных
компонентов, вклеенных в ленту (до 100 ЭК/с).
Установка компонентов
печатный плата сборка пайка
Установка ТНТ-компонентов осуществляется с
применением специальных монтажных автоматов, автоматизированных рабочих мест
(АРМ) либо полностью вручную.
Автоматизированный монтаж
Сборочное оборудование
Существует два основных вида автоматизированного
оборудования по критерию выполняемых функций:
собственно монтажные автоматы (inserter, от
insert - вставлять), осуществляющие вставку штырьковых выводов ЭК в отверстия
на ПП, их подрезку и подгибку (опционально) с обратной стороны ПП с помощью
монтажных, гибочных и отрезных головок соответственно; делятся на группы по
типу компонентов (Axial (Radial) inserter - автомат для монтажа ЭК с осевыми
(радиальными) выводами, DIP inserter - автомат для монтажа ЭК в корпусах DIP,
Odd-Form inserter - автомат для монтажа ЭК в корпусах сложной формы);
секвенсеры (sequencer) - автоматы формирования
последовательности устанавливаемых ЭК (т.е. подготовки программной ленты,
содержащей последовательно вклеенные ЭК разных типоразмеров в порядке их
последующего монтажа; осуществляется путем переклейки ЭРЭ из первичных лент по
программе).
Многие монтажные автоматы одновременно обладают
функцией секвенсеров, т.е. могут работать непосредственно из первичных лент без
необходимости подготовки программной ленты.
Следует отметить, что на современном рынке,
наряду с выпускавшимся в 90-е г.г. и продающимся сейчас б/у (в т.ч.
восстановленным) оборудованием для выводного монтажа (различные модели
автоматов Dynapert, Panasert, Amistar, Universal Instruments и пр.),
присутствуют современные модели различных производителей, уделяющих
существенное внимание развитию технологии автоматизированного монтажа в отверстия.
Многие опции автоматов, ранее доступные лишь для SMT-монтажа, стали
неотъемлемой частью современного сборочного оборудования для THT-технологии.
Следящие приводы перемещений по координатным осям, управление с помощью ПК,
загрузка питателей без остановки работы, контроль правильности подачи ЭК,
одновременная сборка более чем одной ПП, автоматическая загрузка/выгрузка ПП,
коррекция погрешностей проводящего рисунка ПП, автоматическая смена захватных
устройств - все это доступно в настоящее время и для штырькового монтажа.
Применяются системы технического зрения для оптической коррекции положения ЭК и
считывания реперных знаков. Сборочные головки автоматов оснащены
преимущественно механическими захватами с сервоприводом. Стандартные углы
поворота ЭК кратны 90°, однако, как правило, существует возможность оснащения
автомата сборочной головкой со свободным углом поворота.
Ряд автоматов обладает способностью
устанавливать на ПП проволочные перемычки (jumpers), нарезая их непосредственно
перед монтажом из непрерывного прутка.
Паспортная производительность современного
монтажного оборудования достигает 20000-40000 ЭК/час при уровне ошибок монтажа
100-200 ppm (для простых ЭК). Производительность при монтаже ЭК сложной формы
может быть меньше на порядок. Основными параметрами оборудования, помимо
перечисленных выше, являются геометрические характеристики ЭК и ПП, которые
подлежат установке:
диапазон либо дискретный набор расстояний между
выводами (рядами выводов);
максимальный диаметр и высота ЭК (в зависимости
от его типа - с осевыми либо радиальными выводами);
диапазон диаметров выводов;
диапазон габаритных размеров ПП.
Загрузочные устройства
Для оснащения автоматов монтажа THT-компонентов
используются загрузочные устройства (питатели) следующих основных типов (рис.
13):
ленточные для ЭК с радиальными и осевыми
выводами - предназначены для пошаговой подачи ЭРЭ, вклеенных в ленту; лента
может быть намотана на бобину (Tape and Reel) или упакована в «магазин» -
коробку (Ammo Pack);
из трубчатых кассет для ИС в DIP-корпусе,
компонентов сложной формы - с наклонным транспортным лотком и горизонтальные
(для ЭК, которые не скользят свободно по наклонному лотку вследствие своих
конструктивных особенностей - массы, формы корпуса либо выступающих острых
выводов);
вибробункерные для подачи различных ЭК из
россыпи с возможностью их одновременной ориентации перед захватом;
матричные (сотовые) для ЭК сложной формы - из
матричных поддонов, магазинов.
Рис. 13 - Примеры питателей для THT-компонентов:
а) с осевыми выводами; б) с радиальными выводами; в) из трубчатых кассет; г)
вибробункерный; д) из матричных поддонов
Ряд моделей оборудования оснащается питателями с
микропроцессорным управлением, а также устройствами их автоматической смены.
Ручная и полуавтоматическая
установка компонентов
Данная операция выполняется на АРМах либо
монтажных столах. В этих устройствах автоматизирована подача сборочной
информации - места установки ЭК на ПП и его требуемой ориентации, а также может
быть обеспечена автоматическая подача нужного лотка с компонентами
устанавливаемого типономинала, механизирован процесс фиксации ПП на монтажном
столе. АРМы могут быть дополнительно оснащены устройствами формовки выводов ЭК.
Такое оборудование дешево, но малопроизводительно (1000-2000 ЭК/ч).
Существуют следующие варианты установки ЭК:
С зазором (вариант II по ОСТ4 010.030-81). При
таком способе установки легче осуществить отмывку собранных узлов от остатков
флюса, меньше перегрев ИС при пайке. Печатные проводники могут располагаться в
этом случае под навесным элементом. При определенных условиях (при определенных
спектрах воздействия) улучшается стойкость к вибро- и ударным воздействиям,
передающимся по плате, поскольку воздействие демпфируется выводами. Тем не
менее, увеличивается высота узла, меньше его устойчивость к прямым механическим
воздействиям. Возможен отрыв КП от односторонней ПП при приложении
значительного давления к ЭК сверху.
Без зазора (вариант I по ОСТ4 010.030-81).
Элементы лучше сопротивляются механическим нагрузкам (в особенности - с
дополнительным креплением за корпус скобой и т.д.), высота узла получается
меньшей. Улучшается теплоотдача от компонента печатной плате, что часто
применяется, когда использование радиатора нецелесообразно. Компоненты с
радиальными выводами, уложенные на бок, рекомендуется устанавливать
исключительно без зазора (в отдельных случаях - с технологическими прокладками
под корпусом). Уменьшается длина выводов ЭК, что улучшает электрические
характеристики устройства. Однако может быть затруднена отмывка собранного
узла, а также необходимо обеспечить взаимную изоляцию ЭК и печатных
проводников, металлизированных отверстий, проходящих под корпусом (например, с
помощью изолирующих прокладок с приклейкой их к корпусу ЭК и/или ПП).
Вертикальная установка ЭК (вариант III по ОСТ4
010.030-81) с осевыми выводами увеличивает плотность компоновки, однако снижает
технологичность, повышает вероятность взаимного замыкания выводов, увеличивает
высоту узла и делает внешний вид неопрятным. При этом необходимо, чтобы угол
наклона ЭК относительно вертикальной оси не превышал 15°.
Типы установки компонентов регламентируется
отраслевыми стандартами, например ОСТ4 010.030-81, и стандартами предприятия.
Хотя требования отраслевых стандартов не являются в настоящее время
обязательными, их часто применяют в качестве рекомендации и исходных
документов.
Устанавливать ЭК следует таким образом, чтобы
были различимы элементы их маркировки, в особенности касающиеся полярности, для
обеспечения последующего контроля правильности монтажа.
Рис. 14 - Примеры держателей ПП
Монтаж компонентов можно проводить, устанавливая
по одному ЭК и далее осуществляя пайку путем поворота ПП, однако более
технологичным является способ, когда ПП в процессе монтажа имеет жесткую
фиксацию. Для закрепления печатных плат и их поворота в процессе монтажа
применяют специальные приспособления. Существуют держатели ПП (рис. 6),
снабженные подпружиненным фиксатором платы, обеспечивающие возможность ее
закрепления в горизонтальной, вертикальной, а также повернутой вокруг одной или
двух осей плоскости, антистатическую защиту при монтаже и пайке. Процесс ручной
пайки ЭК рассмотрен ниже.
Пайка
В рамках THT-технологии преимущественно
применяются три метода пайки: пайка волной, селективная и ручная.
Пайка волной припоя
Пайка волной - наиболее распространенный метод
пайки, впервые появившийся в 50-е годы XX века. Он применяется как для изделий
на основе исключительно штырьковых компонентов, так в случае смешанного
монтажа, когда на ПП одновременно наличествуют THT- и SMD-компоненты.
В процессе пайки ПП устанавливаются на конвейер
и последовательно проходят несколько рабочих зон паяльной установки: зону
флюсования, предварительного нагрева, пайки.
Особое влияние на процесс пайки оказывают
следующие параметры:
угол наклона конвейера;
скорость движения конвейера;
тип применяемого флюса и его плотность;
толщина слоя флюса и равномерность его
нанесения;
температура и скорость предварительного нагрева;
тип применяемого припоя и степень его чистоты
(отсутствие примесей);
температура припоя;
форма, высота и стабильность волны припоя;
атмосфера при пайке и степень ее чистоты.
Флюс удаляет оксидные пленки с паяемых
поверхностей, улучшает смачивающую способность припоя и предотвращает окисление
до начала пайки. Применяются флюсы на водной и канифольной основе, в том числе
не требующие отмывки, а также водосмываемые флюсы. Флюсование осуществляется
одним из двух основных способов: распылением и с помощью пенообразователя.
Многие установки пайки волной имеют возможность оснащения флюсователями обоих
типов.
Распыление флюса осуществляется, например, при
помощи вращающегося сетчатого барабана, где поток сжатого воздуха, пропущенный
через его сетку, создает мелкодисперсную струю жидкого флюса. Существуют
конструкции флюсователей, где флюс предварительно переходит в мелкодисперсное
состояние на рабочей поверхности ультразвуковой форсунки, а затем распыляется
потоком сжатого воздуха. Слой наносимого флюса должен быть равномерным и иметь
толщину 1-10 мкм в сухом состоянии. Производится подбор оптимального давления
при распылении, а также контроль плотности флюса. Метод распыления обладает
рядом преимуществ по сравнению с пенообразованием, в частности, он более
экономичен, а также позволят точнее контролировать толщину флюса.
Пенное флюсование осуществляется с помощью
фильтрующих элементов (трубчатых фильтров либо пористых камней (например,
пемзы) с размером пор ≈ 3 - 35 мкм), которые образуют однородную пену,
состоящую из пузырьков малого диаметра. Пена направляется на плату с помощью
сопла. Пузырьки, лопаясь, разбрызгивают флюс по нижней поверхности ПП. Чем
меньше размер пузырьков пены, тем лучшее смачивание обеспечивает флюсование,
поэтому применение трубчатых фильтров по сравнению с пористыми камнями
предпочтительно. Высота подъема пены регулируется (обычно не более 2 см).
Зона флюсования оканчивается устройством
«воздушного ножа», служащим для удаления избытка флюса с поверхности ПП.
Предварительный нагрев служит для предотвращения
теплового удара ПП и ЭК в результате контакта с волной горячего припоя, сушки
(удаления растворителя) и активации флюса. Нагрев осуществляется ИК-модулями с
различной длиной волны, кварцевыми нагревателями и конвекционными системами
(последние особенно эффективны в случае наличия на ПП ЭК, обладающих большой
теплоемкостью).
Далее конвейер с ПП проходит непосредственно
зону пайки, где в ванне с помощью помпы формируется волна расплавленного
припоя. Платы устанавливаются либо на пальчики (лепестки) конвейера, как
правило, выполненные из титана, либо крепятся в паллетах. Конвейер обладает
возможностью регулировки скорости движения (0-2 м/мин) и угла наклона ПП по
отношению к волне (5-9°), что важно для обеспечения стекания избыточного
количества припоя. Форма волны припоя может быть различной, в зависимости от
применяемой модели оборудования. Изначально использовалась симметричная волна,
но впоследствии произошел переход к несимметричным (T-образная, Z-образная,
W-волна и пр.), обеспечивающим лучшие результаты с точки зрения качества паяных
соединений (рис. 15а). Производители ЭК в своих рекомендациях указывают
параметры профиля пайки волной, которые включают в себя температуру и скорость
предварительного нагрева, скорость подъема температуры при воздействии волны,
максимальную температуру, которой подвергается ЭК во время пайки и время
выдержки при ней, а также максимально допустимую скорость охлаждения ПП.
Рис. 15 - Волна припоя: а) симметричной и
несимметричной формы; б) первая (турбулентная) и вторая (ламинарная) для пайки
двойной волной
Для изделий на базе смешанного монтажа
применятся т.н. «двойная» волна припоя (рис. 16б). Первая волна является узкой,
подается из сопла под большим давлением и имеет турбулентный характер. Ее
задача - обеспечить смачивание выводов ЭК и исключить формирование полостей с
газообразными включениями, оставшимися от разложения флюса. Вторая волна -
ламинарная, ее скорость истечения ниже; она разрушает перемычки, образованные
первой волной, и завершает формирование паяных соединений. Пример
температурного профиля пайки ПП двойной волной представлен на рис. 16.
Рис. 16 - Пример температурного профиля для
бессвинцовой пайки ПП двойной волной
Подобно зоне предварительного нагрева, зона
пайки также оканчивается «воздушным ножом», удаляющим излишки припоя и
разрушающим перемычки.
Ряд моделей оборудования обеспечивает
возможность пайки волной в среде инертного газа (азота). Применяется подача
азота непосредственно к месту пайки либо создание азотного «туннеля» над всеми
зонами. Цель применения азота - уменьшить окисление припоя и флюса, получить
более блестящие и яркие паяные соединения, снизить уровень образования шлама и,
как следствие, исключить засорение форсунок.
Ручная пайка
Ручная пайка предварительно установленных
THT-компонентов проводится с применением аналоговых и цифровых паяльных
станций.
Подготовленные поверхности покрывают флюсом
непосредственно перед пайкой. Механизм действия флюса заключается в том, что
окисные пленки металла и припоя под действием флюса растворяются, разрыхляются
и всплывают на его поверхности. Вокруг очищенного металла образуется защитный
слой флюса, препятствующий возникновению окисных пленок. Жидкий припой замещает
флюс и взаимодействует с основным металлом. Слой припоя постепенно
увеличивается и при прекращении нагрева затвердевает.
При проведении процесса пайки крайне важно
выдерживать необходимую температуру. Пониженная температура приводит к
недостаточной жидкотекучести припоя и плохому смачиванию соединяемых
поверхностей. Значительное увеличение температуры вызывает обугливание флюса до
активации им поверхностей спая. Следует отметить, что температура жала
паяльника, выставленная на паяльной станции, всегда выше реальной температуры
пайки, что обусловлено теплоемкостью элементов, участвующих в образовании
паяного соединения (сам компонент и его выводы, ПП и элементы проводящего
рисунка). Подбор температуры осуществляется в зависимости от применяемого
припоя, типа и размера корпуса компонента, материала и топологии ПП.
Важными характеристиками паяльной станции
являются:
точный контроль температуры жала с максимальной
частотой (вследствие конструктивных особенностей сочленения нагревателя и жала,
расположения термопар и других причин заданная температура жала может
отличаться от реальной);
автоматическая калибровка станции при смене жала
либо паяльника;
быстрая смена жал.
Такими возможностями обладают преимущественно
цифровые паяльные станции, которые обеспечивают более точное задание,
поддержание и управление температурой паяльника по сравнению с аналоговыми, а
также позволяют подключать к станции несколько инструментов.
Для пайки обычно используются жидкий флюс и
проволочный припой. Флюс наносится кистью в места пайки. Для пайки в
труднодоступных местах, а также для ремонта, применяют трубчатые припои с
несколькими каналами флюса внутри. Преимущественно применяются припои со
слабоактивированными низкоканифольными флюсами (NC, No-clean - не требующими
отмывки) либо среднеактивированные канифольные, для которых отмывка возможна,
но не является обязательной при нормальных условиях эксплуатации изделия. Для
пайки сильно окисленных поверхностей, а также поверхностей с плохой паяемостью,
применяются активированные канифольные флюсы, требующие последующей отмывки в
деионизованной воде или органическими растворителями на спиртовой основе.
Припои используются как эвтектические (Sn-Pb, Sn-Pb-Ag), так и бессвинцовые
(Sn-Cu, Sn-Ag-Cu); поставка осуществляется в катушках.
Типовая последовательность пайки установленных в
отверстия компонентов следующая:
очистка жала паяльника (если необходимо), его
облуживание;
установка температуры жала паяльника на станции;
выдержка, в процессе которой происходит нагрев
жала паяльника до требуемой температуры;
приведение жала в контакт (одновременный) с КП и
выводом ЭК для обеспечения их прогрева, небольшая выдержка (0,5 - 1 сек);
подача прутка припоя к паяному соединению с
образованием связи между выводом и КП (не следует подавать припой
непосредственно на жало паяльника во избежание преждевременного выгорания
флюса);
охват припоем вывода по кругу на 360°;
одновременный отвод прутка припоя и жала
паяльника (по направлению вверх вдоль вывода ЭК для образования галтели
правильной формы).
Процесс пайки одного соединения должен быть по
возможности кратковременным во избежание перегрева ЭК и отслаивания КП, его
общее составляет от 0,5 до 2 секунд. При пайке необходимо следить за тем, чтобы
паяльник даже на короткое время не прикасался к корпусу ЭК, и чтобы на него не
попадали капли припоя и флюса. После работы жало паяльника необходимо облудить
для увеличения срока его службы.
Существуют паяльники с одновременной подачей
прутка припоя (пайка одной рукой, вторая может использоваться для удержания ЭК
и/или ПП), а также станции автоматической непрерывной либо дискретной подачи
припоя в точку пайки.
Для готового паяного соединения должны
обеспечиваться требования по:
минимальному углу охвата вывода смачивающим его
припоем со стороны пайки (270-330°);
минимальному проценту заполнения площади КП
оплавленным припоем со стороны пайки (75%);
минимальному заполнению отверстия припоем по
высоте (50-100% в зависимости от класса изделия).
Конец вывода должен быть различим в образованном
паяном соединении (не должно присутствовать избыточного количества припоя).
Поверхность галтелей припоя - вогнутая, непрерывная, гладкая, глянцевая, без
темных пятен и посторонних включений. Припой не должен касаться корпуса ЭК.
Между мениском, образованным покрытием корпуса на радиальных выводах
компонента, и паяным соединением должен быть зазор (минимум 1,2 мм). Не
допускается растекание припоя за пределы КП по проводнику.
Селективная пайка
Селективная пайка представляет собой процесс
избирательной пайки отдельных ЭК на ПП с отсутствием воздействия на остальные
установленные компоненты, и выполняется, как правило, миниволной припоя.
Развиваются также системы селективной пайки лазером и горячим газом.
Процесс пайки миниволной припоя во многом схож с
обычной пайкой волной, с тем существенным отличием, что происходит пайка не
всей ПП, а только отдельных ЭК на ней. Конвейерная система и модуль
предварительного нагрева аналогичен по конструкции применяемому в пайке волной
припоя. Флюсователи применяются как распылительного, так и точечного типа с
одной или несколькими форсунками. Флюс избирательно и точно наносится в точку
пайки флюсующей головкой, перемещаемой сервоприводом. Применяются также модули
флюсования окунанием со специальными адаптерами, когда необходимо осуществить
флюсование отдельных областей ПП. Волна в ванне с припоем, которая также имеет
сервопривод перемещения (в некоторых моделях оборудования перемещается ПП),
создается сменными соплами-волнообразователями. Существуют также системы
селективной пайки с несколькими волнообразователями, выполненными в виде
сменной оснастки для конкретного изделия. Такие системы обладают большей
производительностью, но значительно меньшей гибкостью. Пайка может
производиться в инертной (азотной) среде, чем достигается отсутствие окисления
миниволны припоя. Уровень миниволны измеряется бесконтактными способами.
Селективная пайка имеет ряд существенных
достоинств по сравнению с ручной и волновой пайкой:
снижение расхода технологических материалов
(флюс, припой, инертный газ) и электроэнергии;
сокращение времени производственного цикла и
числа сотрудников на участке ручной пайки;
исключение необходимости отмывки;
возможность пайки разных ЭК на ПП различными
припоями на одной установке за один цикл;
уход от человеческого фактора, повторяемость
параметров процесса на всей партии.
Эти достоинства обуславливают все более частый
отход производителей от пайки волной и ручной пайки, и применение ими пайки
оплавлением для SMD-компонентов и селективной пайки для штырьковых ЭК.
Технологический процесс
Технологический процесс представляет собой
сложный комплекс действий исполнителей и оборудования по преобразованию
исходных материалов и комплектующих элементов в готовое изделие. Он состоит из
комплекса частных технологических процессов изготовления входящих в них узлов,
деталей и технологических процессов сборки, монтажа, регулировки и испытаний.
Технологические процессы изготовления конкретной аппаратуры базируются на
типовых технологических процессах.
К типовым технологическим процессам относятся:
) входной контроль комплектующих;
) технологическая тренировка комплектующих и
узлов;
) сборка;
) электрический монтаж;
) технический контроль монтажа и сборки;
) защита изделия от влияния внешней среды;
) технологическая тренировка изделия;
) регулировка (настройка) изделия;
) испытания изделия;
) выходной контроль.
Таким образом, технологический процесс
изготовления блока, субблока или функционального узла представляет собой, как
правило, комплексный процесс, правильное построение которого возможно лишь на
основе его предварительного проектирования, часто с применением математического
моделирования.
Основными документами при разработке технологических
процессов являются технологические карты. В картах указываются структура
технологического процесса и его содержание, последовательность выполнения
операций, режимы, применяемое оборудование, технологическая оснастка, порядок
монтажа, методы регулировки, контроля и т.п.
Технологические процессы состоят из отдельных
операций.
Операцией называется часть технологического
процесса, выполняемая над определенной деталью (или над совокупностью
нескольких деталей или сборочных единиц) одним рабочим (или отдельной группой
рабочих) непрерывно и на одном рабочем месте. Операция технологического
процесса - основная единица производственного планирования.
Как правило, технологический процесс делят на
операции, а операции на переходы.
Заключение
В данной курсовой работе были рассмотрены
существующие технологии поверхностного монтажа. Особое значение было уделено
технологии монтажа в отверстия. Описаны различные способы установки компонентов
и их пайки. Технология установки THT-компонентов относительно проста, хорошо
отработана, допускает ручные и автоматизированные методы сборки, хорошо
обеспечена сборочным оборудованием и технологическим оснащением.
Литература
1. Монтаж
на поверхность: Технология. Контроль качества/ В.Н. Григорьев, А.А. Казаков,
А.К. Джинчарадзе и др.; Под общей редакцией И.О. Шурчкова - М.: Издательство
стандартов, 1991 - с. 184.
2. Технология
изготовления печатных плат / <http://en.radioland.net>
. Основы
технологии поверхностного монтажа / Сускин В.В. - Рязань: Узорочье, 2001.
. Технологии
в электронной промышленности / главный редактор Павел Правосудов - ООО «
Издательство Файнстрит», №1.2006 - с.92.