Сборка компонентов на печатных платах

Сборка компонентов на печатных платах представляет собой этап в производстве функциональных узлов, следующий за подготовкой компонентов и плат. При выполнении сборочных работ производятся поиск места расположения компонента на плате, его ориентация на ней и закрепление (фиксация) на этом месте. Положение компонентов, полученное при сборке, не должно изменяться до момента контактирования и в процессе контактирования. Поэтому фиксация компонентов на печатных платах - это их технологическое крепление (а не рабочее, эксплуатационное) с тем, чтобы они не изменяли своего положения из-за неосторожного обращения, не были сдвинуты во время пайки под действием гидравлического напора припоя либо смещены по другой причине относительно заданной позиции.

Варианты фиксации компонентов со штыревыми выводами показаны на рис. I. Фиксация компонентов в плоских корпусах с планарными выводами производится приклеиванием, часто с обеспечением возможности дальнейшего корректирования положения компонента. Этот метод особенно пригоден для механизированной сборки.

За последние 10-15 лет возникло и получило развитие новое направление в технике сборочно-монтажных работ - программированная ручная сборка компонентов на печатных платах на светомонтажных столах. На светомонтажном столе монтажнику полагатся компоненты только одного типа с одновременным указанием световыми средствами, куда и как нужно установить компонент. Пятно светового луча перемещается по плате (например, со скоростью 300-450 мм/с), определяя позицию компонента на плате с одновременной индикацией кассеты с требуемым компонентом. Точность позиционирования в этом случае не хуже ±0,19мм. По опыту отечественных передовых предприятий и зарубежных фирм повышение производительности труда при внедрении светомонтажных столов, особенно с гибкой индексацией адреса установки компонентов, составляет не менее 50 %.

При автоматизированной сборке на сборочном автомате выполняются операции и переходы в последовательности, отраженной на рис.2. Реализация такой сборки связана с высокими требованиями к допускам компонентов и печатных плат.

В сборочных работах часто требуется не только фиксация компонентов на печаткой плате (или каком-либо ином основании), но и их прочное механическое крепление (когда паяные соединения оказывается недостаточными для удержания компоненте? на платах), обеспечивающее эксплуатационную надежность изделия. Такие крепления выполняются с применением неорганических и органических (полимерных) материалов. Из неорганических материалов применяются припои (т.е. низкотемпературные эвтектические сплавы), стекла, а из полимерных - диэлектрические клеи и электропроводящие клеи-контактолы.

Для формирования механически прочных клеевых соединений следует пользоваться термореактивными клеями (например, эпоксидными) с обеспечением максимальной концентрации химических связей молекул клея с поверхностями склеиваемых деталей. Очевидно, что определяющим технологическим фактором в технике склеивания является хорошее смачивание клеем соединяемых поверхностей. Это может быть достигнуто несколькими способами: созданием достаточного давления на склеиваемые детали, снижением вязкости клея либо одновременным использованием перечисленных приемов (например, использованием легких прижимов и нагрева). Воздействие на склеиваемые детали высоких давлений обычно малоэффективно, поскольку в этом случае имеет место скорее механический контакт, а не смачивание клеем поверхностей детали. Кроме того, чрезмерное повышение давления может привести к механическому повреждению деталей. Поэтому практически целесообразно пользоваться двумя последними способами.

Снижения вязкости полимеров сравнительно небольшой молекулярной массы (эпоксидные, фенолоформальдегндные, полиэфирные и другие смолы) и клеев на их основе можно достичь путем их разбавления в растворителях или нагрева. Однако применение в качестве клеев растворов полимеров недопустимо, поскольку для их сушки требуется длительное время в силу малого значения геометрического параметра испарения клеевых соединений:

где - свободная поверхность испарения растворителя из клеевого соединения объемом V.

Тогда в соответствии с рис.3 для герметизирующего покрытия при

аи в, где аи в -длина и ширина полимерного слоя, а для клеевого соединения . Время удаления молекулы растворителя из самых глубоких слоев в первом случае составит , а во втором случае при а<в . Превышение второго времени по сравнению с первым будет равно:

.

Например, при = 0.1 мм и размерах ахв = 10x16 мм время превышает время в 2500 раз.

В целом обобщенным правилом при получении качественных клеевых швов является применение клеев без растворителя* и обеспечение их хорошей растекаемости по поверхности за счет повышения технологических температур. В этом случае используется свойство олигомеров снижать свою вязкость с повышением температур (рис. 4).

* В состав некоторых клеевых композиций возможно введение активных разбавителей, снижающих вязкость клея, но не выделяющих летучих компонентов при его отверждении (т.е разбавителей, участвующих в полимеризации без образования побочных продуктов).

В экспоненциальной зависимости существует некоторая критическая температура , выше которой вязкость клея становится достаточно низкой и обеспечивается хорошая смачиваемость клеем поверхностей деталей. Поэтому для качественного склеивания систему необходимо нагреть до температуры , т.е. в систему необходимо ввести следующее количество тепла:

,

где , , - теплоемкости клея и деталей 1 и 2; , , - массы клея и деталей 1 и 2; - начальная температура клея и деталей; к - коэффициент, учитывающий потерн тепла ( К = 1,1 – 1,3).

Однако греть ж клей, и детали- часто оказывается технологически неудобным, так как клей при его нагреве быстро повышает вязкость и теряет технологичность. Поэтому целесообразнее греть только детали и наносить на них холодный клей. В этом случае температура нагрева деталей должна обязательно превышать температуру , поскольку при нанесении холодного клея происходит охлаждение деталей. Температуру можно найти, исходя из условия равенства количества тепла , вводимого в систему в этих двух случаях:

;

.

Такой подход к технологическому процессу реализуется при приклеивании деталей с высокой теплопроводностью и массами, соизмеримыми с массой клея (например, при приклеивании полупроводниковых структур или подложек с высокой теплопроводностью (поликоровых) к металлическому основанию корпуса). В меньшей степени сказанное проявляется при приклеивании диэлектрических подложек с малой теплопроводностью (стеклянных) к поверхности печатных плат, В условиях массового производства процесс склеивания деталей можно производить в специальных металлических плитах с электрообогревом и гнездами для изделий (рис.5), обладающих высокой теплоемкостью и имеющих массу , т.е. при соблюдении неравенства

как видно, в этом случае достаточно соблюдать условие

Материалы клеев обычно представляют собой сложные системы, как правило, многокомпонентные. Выбор материала клеевой композиции для сборки - вопрос непростой и часто является предметом исследования при разработке процесса сборки каждого нового изделия. В последнее время в связи с развитием техники высокоплотного (поверхностного) монтажа объемы использования клеевых композиций и соответственно требования, предъявляемые к ним, существенно возрастают. Это связано прежде всего с тем, что сборочно-монтажные процессы становятся высокопрецизионными, так как элементная база выполняется в микрокорпуеах с выводами только для сборки и монтажа на поверхности (а не в отверстия) плат, имеющих ширину и шаг коммутационных элементов, равные, или менее 1,25 мм. Точность позиционирования компонентов при сборке в этом случае должна обеспечиваться не хуже ± 0,05 мм. Важно отметить, что клеи во многом не только обеспечивают точность позиционирования на этапе сборки, но и создают возможность двухсторонней пайки компонентов (например, с переворотом платы). Причем роль клеев возрастает тем больше, чем больше в устройствах с высокоплотным монтажом проявляется "размерный эффект" (когда габаритные размеры элементной базы соизмеримы с размерами коммутационных элементов, и при оплавлений припоя силы поверхностного натяжения припоя способны не только сместить компонент» но и перевернуть его). Поэтому клеевая композиция должна быть не только "быстросхватывающейся" (во избежание смещения компонента), но и образовывать адгезионно-прочные (и в то же время с требуемой пластичностью) клеевые соединения. Кроме того, процесс формирования клеевого соединения должен быть реализован в составе автоматической линии сборки и поэтому легко автоматизируем и совместим с другими операциями сборки. Наименьшим временем "схватывания" клея с компонентом и платой обладает акриловые композиции (на основе акриловых смол), а наибольшей адгезионной прочностью – эпоксидные. И те, и другие композиции способны отвергаться при комнатных температурах и весьма ускоренно отвергаться при невысоких температурах (не более 100 °С). Это явилось предпосылкой к разработке новых эпоксидноакриловых клеевых композиций быстрого "схватывания" (отверждение менее 1 мин при излучательном нагреве) для автоматизированной сборки компонентов на поверхности плат.

Процесс автоматизированной сборки в данном случае включает : ел едущие операции:

- захват компонента манипулятором из питателя плейсера, тестирование и ориентацию компонента;

- размещение компонента над участком знакоместа, проверку ориентации и корректировку точности позиционирования;

- нанесение клеевой композиции с применением дозатора (количество капель клея и их размеры рассчитываются при проектировании процесса сборки);

- поселку (позиционирование) компонента на знакоместо платы и контроль точности позиционирования;

- фиксацию компонента (термообработку для отверждения клеевой композиции с глубиной полимеризации не более 70 %).

- выходной контроль качества позиционирования.

Реализация такого процесса требует применения сборочных автоматов, оборудованных оптическими системами контроля позиционирования и обнаружения дефектов (пропуски, неточности размещения компонентов и др.), а также устройством контроля электрических параметров и системы управления на основе микропроцессора или микро ЭВМ с соответствующим программным обеспечением.