Лекции по курсу - Технология и автоматизация производства электронной аппаратуры

Подождите немного. Документ загружается.

241

кими универсальными автоматами. В последних одна и та же головка способна

собирать на ПП разнообразные ИЭТ.

Применяемые в промышленности сборочные автоматы различаются выпол-

няемыми операциями, возможностями установки определенной номенклатуры

ИЭТ, степенью автоматизации, применяемыми дополнительными средствами и т.

д. За последнее время появился ряд сборочных автоматов, в которых операция

подачи ЭРЭ

на сборку в заданном программой порядке выполняется без предва-

рительной переклейки в липкую ленту.

Сборочные головки могут выполнять в автоматическом цикле одну или не-

сколько технологических операций: извлечение ИЭТ из накопителя или носителя,

поворот ИЭТ по ключу или оси координат, формовку выводов ИЭТ, перенос

ИЭТ, центровку ИЭТ, установку ИЭТ на

ПП.

В установке параллельной сборки фирмы Philips (рис. 26.7) используется

принцип ударного монтажа. Она состоит из неподвижного держателя печатных

плат, на котором закрепляется плата 1, нескольких установочных головок 2 и ма-

газина компонентов 3. В выпускаемом оборудовании для этих целей используют

одновременно до 10 установочных головок, которые вращаются в аксиальном на-

правлении на 180°. Фиксация

выводов происходит посредством загибки их в

нужном направлении с помощью специального устройства. Вследствие одновре-

менной установки всех компонентов достигается высокая производительность, до

2500÷3000 шт/ч., однако перестройка установки на другой тип плат требует мно-

го времени, поэтому метод пригоден для крупносерийного и массового производ-

ства.

Рис. 26.7. Установка параллельной сборки.

а – принцип работы, б – расположение сборочных головок.

242

При изготовлении электронно-вычислительной аппаратуры, характеризую-

щейся большим числом однотипных сборочных единиц – ТЭС, применяют сбо-

рочные машины с цифровым управлением. Информация, необходимая для управ-

ления машиной, считывается с носителя данных (перфоленты, магнитного диска).

В этих станках к позиционированию стола предъявляют повышенные требования,

т. е. необходимая точность составляет ±0,025 мм. Параллельно во времени

при

позиционировании платы происходит выборка компонентов и их транспортиро-

вание к сборочной головке. Число магазинов должно быть достаточно большим

(от 20 до 40) для выполнения сменного задания.

Автомат «Трофей» для установки на платы в программной последовательно-

сти ЭРЭ с осевыми выводами и перемычек, вклеенных в ленту, управляется с по-

мощью

мини-ЭВМ «Электроника-60» и имеет две сборочные головки. Характе-

ристики других автоматов приведены в таблице 26.3.

Для программной вклейки ЭРЭ с осевыми выводами и перемычек в липкую

ленту используется автомат типа «Трал», управляемый с помощью мини-ЭВМ. В

автомате секционного типа вклейка осуществляется одновременно с 20÷60 бобин.

Автомат ГГМ 1.149.002 предназначен для

сборки ЭРЭ с осевыми выводами –

резисторов МЛТ, диодов Д9, Д18, Д223 и др., вклеенных в липкую ленту. Сбо-

рочная головка выполняет операции вырезки ЭРЭ из ленты, формовки выводов и

установки элементов на ПП с подгибкой выводов. Координатный стол имеет при-

вод от двигателя постоянного тока СД-75Д с максимальной

скоростью позицио-

нирования 0,1 м/с и минимальным шагом 0,02 мм. Управление осуществляется от

стойки ЧПУ, в качестве программоносителя используется 8-ми дорожечная пер-

фолента.

Для автоматизированной сборки и пайки ИМС с планарными выводами в кор-

пусе типа 401.14 и других применяют автоматы с ЧПУ типов АРПМ, АУП-007,

УСПА-1 (СССР) (табл. 26.4). Автомат сборки

плат (АСП-902П) может устанав-

ливать корпуса ИМС четырех типоразмеров с 14 и 16 выводами и управляется с

помощью ЭВМ. Перед сборкой ПП закрепляются в пакетах, 5÷10 шт., и устанав-

ливаются на транспортно-накопительном модуле. Кассеты с микросхемами за-

крепляются на платформах вибрационных питателей.

243

Технические характеристики автоматов для установки ЭРЭ. Табл. 26.3.

Параметры «Трофей»

(СССР)

ГГМ 1.149.002

(СССР)

ГГМ 1.149.007

(СССР)

NM-2050

(Япония)

Производительность, шт/ч 9000 6000 2000 14 000

Габаритные размеры плат,

мм

380×380 320×320 360×360 330×250

Размеры корпусов элемен-

тов, мм

2,2÷9,0 2,0÷4,0 4x4; 6x6; 8x8 —

Установочные размеры, мм 10÷32,5 7,5÷15 5÷12,5

Типы выводов и элементов Осевые выводы, перемычки,

МЛТ, Д9, Д18, Д223

Однонаправ-

ленные, КМ

20 типов ЭРЭ

Количество сборочных го-

ловок

2 2 1 2

Электропитание, кВт 1,0 1,5 1,0 1,5

Пневмопитание, МПа 0,5 0,5 – –

Габариты, мм

1650×1500×1500 1600×1200×1680 1600×1200×1630

5÷12,5

Масса, кг 1000 500 500 2800

Автоматы сборки для ИМС с планарными выводами. Табл. 26.4.

Параметры

АРПМ АУП-007 АСП-902П

Производительность, шт/ч 400 300 800

Габаритные размеры ПП,

Мм

250×250 250×250 200×270

Емкость накопителя ИМС,

шт.

1500 1500 1500

Тип и время пайки, с Точечная, 9 Точечная, 12 Групповая, 4

Мощность, кВт 1,0 3,0 2,5

Габариты, мм 1400×850×1020 1950×1200×1650 1950×1930×1630

Масса, кг 170 600 1000

Клей наносится двумя методами: на ПП дозатором (универсальный метод) или

на дно микросхемы с помощью ванночек с клеем (более производительный ме-

тод). По программе плата из накопителя подается в рабочую зону, сборочная го-

ловка меняет схват, вакуумной присоской захватывает из кассеты микросхему,

устанавливает ее на плату и производит пайку выводов групповым

паяльником.

После сборки плата подается в накопитель. Загрузка кассет ИМС в 14-выводном

корпусе обеспечивает непрерывную работу автомата в течение часа.

Гибкие производственные модули сборки и монтажа.

Трудоемкость сборочно-монтажных работ составляет 40÷60 % общей трудо-

емкости изготовления РЭС, поэтому повышение производительности труда на

244

этих операциях путем автоматизации ТП может осуществляться за счет внедре-

ния ГПС, основными составными частями которых являются ГПМ и РТК. ГПМ –

это единица технологического оборудования, автономно функционирующая с

программным управлением и имеющая возможность встраивания в ГПС. РТК –

это совокупность технологического оборудования, промышленного робота и

средств оснащения, автономно функционирующих по заданной программе

Организация ГПМ сборки и монтажа предъявляет следующие требования к

ИЭТ:

• наличие на корпусе элемента в зоне первого вывода четко выраженного и

конструктивно оформленного ключа в виде скоса, выступа, выемки и т. д.; нуме-

рация остальных выводов ведется слева направо или по ходу часовой стрелки;

• упаковка ИЭТ в тару, допускающую

машинную обработку, например непо-

лярные ИЭТ – резисторы, конденсаторы, полярные ИЭТ – диоды, конденсаторы с

осевыми выводами должны поставляться вклеенными в двухрядную липкую

(бумажную) ленту;

• конструкция ИЭТ должна обеспечивать стойкость к технологическим воз-

действиям: трехкратной пайке без теплоотвода при +265 °С в течение 3 с; вибро-

отмывке в спирто-бензиновой смеси (1:1) с частотой 50±5

Гц и амплитудой коле-

баний до 1 мм в течение 4 мин; УЗ-очистки в диапазоне частот (18÷22) кГц с ин-

тенсивностью (0,4÷0,6) Вт/см

(амплитуда 4÷6 мкм) в течение 2 мин (кроме ППП

и ИМС);

• печатные платы должны иметь прямоугольную форму с соотношением сто-

рон не более 1:2 для обеспечения их достаточной жесткости при воздействии ав-

томатической укладочной головки;

•для фиксации ПП на координатном столе сборочного автомата в конструкции

ПП должны быть предусмотрены базовые фиксирующие отверстия

с точностью

расположения не хуже 0,05 мм;

• платы должны иметь зоны, свободные от ИЭТ, для фиксации их в направ-

ляющих координатного стола, накопителях, транспортной таре. Эти зоны распо-

лагаются, как правило, вдоль длинных краев ПП на расстоянии 5 мм для бытовой

и 2,5 мм для специальной аппаратуры.

245

Процесс функционирования ГПМ установки ИМС на ПП и при необходимости

крепления на ней подгибкой двух выводов в корпусах типа 2, уложенных в тех-

нологических кассетах, следующий. ПП из накопителя подается устройством за-

грузки-выгрузки к координатному столу сборочного автомата и фиксируется в

нем с помощью фиксирующего устройства. Координатный стол при этом выво

дится в нулевое положение. После фиксации ПП координатный стол перемещает-

ся к укладочной головке, которая в соответствии с задаваемой системой управле-

ния программой производит выбор нужного типа ИМС из накопителя (линейного,

установленного на столе, или роторного и установку ИМС выводами в отверстия

ПП. В некоторых вариантах оборудования специальная головка может

осущест-

вить подгибку двух выводов с целью дополнительного крепления ИМС на ПП.

Для ИМС с числом выводов 14 и более в дополнительном креплении необходи-

мости нет – ИМС держится на ПП за счет пружинения выводов, вставленных в

отверстия. Технические характеристики двух моделей автоматов приведены в

таблице 26.5.

ГПМ установки ИМС на ПП в корпусе типа 2 (DIP) Табл. 26.5.

Модель автомата

Параметры

ГГМ1.149.015 (СССР) DIP-G «Dynapert» (США)

Производительность, шт/ч 2500 4500

Размеры рабочего поля, мм 260×260 475×475

Емкость накопителя ПП, шт. 10; 20 15; 90

Емкость накопителя ИМС, шт. 900 1200

Тип кассеты Этажерочный Прямоточный

Габаритные размеры, мм 1400×1000 2450×1650

Масса, кг 480 650

РТК пайки волной припоя предназначен для выполнения монтажных соедине-

ний на ПП за счет автоматического выполнения операций загрузки-разгрузки,

флюсования, подогрева, пайки и удаления излишков припоя (рис. 26.9.). Плата с

установленными на ней ИЭТ извлекается захватом 2 робота 3 из накопителя 1,

устанавливается на специальную кассету и через устройство загрузки 4 передает-

ся

на транспортер 9 линии пайки. Транспортер (цепной конвейер) последователь-

246

но перемещает ПП через агрегаты линии пайки. В агрегате флюсования 7 поверх-

ность монтажных элементов, подлежащих пайке, смачивается флюсом, подаю-

щимся в виде пены к нижней поверхности ПП. В агрегате подогрева 8 происходит

испарение жидкости, используемой в качестве растворителя флюса, с целью пре-

дотвращения разбрызгивания расплавленного припоя при попадании на него ка-

пелек жидкого флюса с поверхности ПП, а также подогрев ПП до 75÷125 °С с це-

лью уменьшения термоудара при погружении ПП в волну расплавленного припоя

в агрегате пайки 10 при температуре +260 °С. Способ нагрева – терморадиацион-

ный. Температура должна быть максимальной, но не выше той, которую допус-

кают ИЭТ, установленные на ПП.

Рис. 26.9. ГПМ пайки волной припоя.

Контроль и поддержание режимов пайки осуществляются автоматически с по-

мощью устройства управления 5, а информация о режимах отображается на табло

6. Выгрузку плат выполняет устройство 11. Технические характеристики ГПМ

приведены в таблице 26.6.

ГПМ волновой пайки. Табл. 26.6.

Модели линий пайки

Параметры

Kirsten (Швейцария) ЛПМ-300 (СССР)

Ширина и высота волны, мм 330; 20 330; 12

Скорость транспортера, м/мин 0,3÷3,0 0,8÷3,0

Угол наклона, град. 0÷12 0÷12

Потребляемая мощность, кВт 12 15

Тип нагнетателя припоя Электромагнитный Механический

Габаритные размеры, мм 3600x900x850 2500x850x1500

Управление МПУ, дисплей Пульт

247

ЛЕКЦИЯ 27

ТЕХНОЛОГИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО МОНТАЖА

Современный этап развития ЭА характеризуется все более широким примене-

нием новейшей элементной базы – поверхностно-монтируемых элементов: без-

выводных «чиповых» резисторов и конденсаторов, миниатюрных корпусов БИС,

пластмассовых и керамических кристаллоносителей и др., что позволяет отка-

заться от плат с металлизированными отверстиями, упростить установку элемен-

тов, повысить надежность

электронных блоков. Технология поверхностного мон-

тажа (SMT) получила официальное признание в 1985 г. и имеет следующие пре-

имущества:

1) конструктивные:

• повышение плотности компоновки элементов в 4÷6 раз;

• снижение массогабаритных показателей в 3÷5 раз;

• повышение быстродействия и помехозащищенности элементов за счет отсут-

ствия выводов;

• повышение виброустойчивости и вибропрочности блоков в 2 раза

;

• повышение надежности блоков за счет уменьшения количества металлизи-

рованных отверстий, являющихся потенциальным источником дефектов;

2) технологические:

• автоматизация сборки и монтажа элементов и повышение производительно-

сти труда в десятки раз;

• исключение операций подготовки выводов и соответствующего оборудова-

ния;

• сокращение производственных площадей на 50 %;

• уменьшение затрат на

материалы.

К недостаткам следует отнести ограниченную номенклатуру поверхностно-

монтируемых элементов, их высокую стоимость, затрудненность отвода тепла,

сложность контроля и ремонта. Прогнозы показывают, что к 2005 г. до 80 % всех

компонентов за рубежом будут поверхностно-монтируемыми.

При поверхностном монтаже применяют следующие виды корпусов:

248

1) простые корпуса для пассивных компонентов:

• прямоугольной формы, например резисторов и конденсаторов;

• типа MELF (Metal Electrode Face Bonded) с вмонтированными электродами

в виде металлизированных торцов;

2) сложные корпуса для многовыводных полупроводниковых приборов:

• малогабаритный транзисторный (Small Outline Transistor – SOT);

• малогабаритный (Small Outline – SO) для интегральных схем;

• увеличенный малогабаритный (Small Outline Large – SOL) для интеграль-

ных

схем;

• пластмассовые кристаллоносители с выводами (Plastic Leaded Chip Carrier -

PLCC);

• безвыводные керамические кристаллоносители (Leadless Ceramic Chip Car-

rier - LCCC);

• керамические кристаллоносители с выводами (Leaded Ceramic Chip Carrier

- LDCC);

3) различные нестандартные корпуса для компонентов неправильной формы,

например индуктивностей и переключателей.

Большая часть чип-резисторов изготавливается методами толстопленочной

технологии, которая включает отжиг смесей оксидов металлов и керамики (или

стекла), нанесенных на керамические подложки с применением, например, шел-

кографии. Аналогично изготавливаются контактные площадки резисторов. Рези-

сторы нередко покрываются пассивирующим слоем стекла. После лазерной под-

гонки и покрытия эпоксидным составом подложки разрезаются на отдельные

чип-резисторы.

В корпусах типа MELF изготавливают кремниевые диоды, высокочастотные

катушки индуктивности с постоянной индуктивностью, танталовые

конденсато-

ры, металлопленочные резисторы и устройства защиты от перенапряжений, но в

наибольших объемах производятся постоянные керамические конденсаторы и

графитовые пленочные резисторы.

Транзисторный мини-корпус SOT применяется для корпусирования дискрет-

ных полупроводниковых приборов: одиночных биполярных и полевых транзи-

249

сторов, диодов, стабилитронов и др. Корпус ТО-236 применяют для корпусиро-

вания кристаллов, имеющих площадь до 19,35 мм

и рассеиваемую мощность 200

мВт, а второй корпус, ТО-243, рассчитан на кристаллы площадью 38,7 мм

мощностью до 500 мВт при +25 °С. Оба корпуса с тремя выводами очень просты

по конструкции: у ТО-236 выводы поочередно отходят от каждой из сторон кор-

пуса, в то время как у ТО-243 они расположены по одну сторону корпуса, а цен-

тральный вывод – увеличенного размера для лучшего отвода тепла.

Интегральная

схема в мини-корпусе SOIC/SOL напоминает уменьшенный ва-

риант традиционного корпуса с двухрядным расположением ленточных выводов

(типа DIP). Обычно мини-корпуса поставляются в 8, 14 и 16-выводном исполне-

нии, при этом выводы имеют форму крыла чайки и расположены с шагом 1,27 мм

(рис. 27.1, а). Большим преимуществом этого корпуса являются улучшенные мас-

согабаритные характеристики

по сравнению с его аналогом DIP: он на 70 %

меньше по объему, на 30 % меньше по высоте, а масса такого корпуса составляет

лишь 10 % массы его более крупного аналога. Кроме того, мини-корпус имеет

лучшие электрические характеристики, определяющие скорость прохождения

сигнала. Для переработки топологии обычной схемы на DIP-корпусах в вариант

использованием SOIC/SOL-корпусов нужно внести лишь небольшие изменения,

так как разводка выводов одинакова, но общий размер платы может быть умень-

шен.

Рис. 27.1. Типы корпусов микросхем.

Стандартный мини-корпус типа SO (рис. 27.1, б) имеет ширину 3,81 мм; суще-

ствует также совершенно аналогичный корпус, называемый увеличенным вариан-

том, – SOL, который имеет ширину 7,62 мм. Количество выводов у этих корпусов

250

колеблется от 16 до 28. Пластмассовый кристаллоноситель с выводами (PLCC),

размещенными по всем четырем сторонам корпуса, обеспечивает большую плот-

ность соединений и представляет собой почти правильный квадрат с количеством

выводов от 18 до 84 (рис. 27.1, в). Шаг выводов у PLCC обычно составляет 1,27

или 0,635 мм, однако для некоторых сложных СБИС применяется также шаг

0,508 мм.

Корпус

PLCC характеризуется наличием одного ряда выводов по периферии.

Варианты конструкции PLCC с числом выводов до 52 имеют, как правило, гиб-

кие J-образные выводы, загибаемые под корпус при монтаже.

Наиболее распространенным типом керамических корпусов для поверхностно-

го монтажа является LCCC – безвыводной керамический кристаллоноситель.

Конструктивно LCCC состоит из трех основных элементов: металлизированного

керамического

основания, металлической крышки и герметизирующего материа-

ла, чаще всего специального припоя. В углах корпуса отсутствуют контактные

площадки, корпус имеет два ориентирующих ключа: один из них для оптического

считывания, другой – в виде угловой фаски. Эти корпуса выбираются для ответ-

ственных применений, например в военной технике, аппаратуре связи и аэрокос-

мической технике,

поскольку они могут быть высокогерметичными. Однако

LCCC имеют существенные недостатки. Главным из них является рассогласова-

ние температурных коэффициентов расширения (ТКР) корпуса и стандартной

стекло-эпоксидной платы, которое способствует образованию и развитию дефек-

тов в местах пайки при жестком термоциклировании или высоком уровне рассеи-

ваемой мощности. Кроме того, эти корпуса относительно дороги

в производстве.

Керамические кристаллоносители с выводами (LDCC/CCC) позволяют ре-

шать проблему согласования ТКР, хотя они дороже, конструктивно более сложны

и пригодны лишь для военных и других ответственных применений, где стои-

мость не является основным критерием выбора компонентов.

Корпус PGA имеет тонкие штыревые выводы, расположенные в матричном

порядке (рис. 27.1, г).

Бескорпусные элементы, предназначенные для поверхностного монтажа, по-

ставляются на пластиковых лентах, смотанных в катушки, в специальных трубча-