Сборка и монтаж навесных компонентов на МКП
Сборка и монтаж навесных компонентов на готовую МКП отличаются от традиционных методов сборки и монтажа (под традиционными методами понимается использование обычных плат на стеклотекстолитовом основании со сборкой и монтажом компонентов в отверстия таких плат) тем, что:
- сборка и монтаж осуществляются на поверхность МКП и реализуются по групповой технологии, причем перед сборкой необходимо дозированное нанесение припоя;
- материалы корпусов навесных компонентов подбираются максимально совместимыми по ТКЛР с материалами МКП;
- способом пайки для поверхностно-монтируемых компонентов в данном случае может служить пайка оплавлением дозированного припоя (ОДП), например, с применением ИК-нагрева, нагретого инертного газа, нагретой плиты (кондукционный нагрев), либо с использованием комбинаций перечисленных способов;
- фиксация компонентов на МКП может осуществляться с помощью клеев (адгезивов), либо с применением специальной сборочно-монтажной технологической оснастки.
В табл. 12 приводятся сравнительные характеристики корпусов (в том числе керамических) традиционно-монтируемых и поверхностно-монтируемых компонентов (соответственно ТМК и ПМК), включая возможности реализации их сборки и монтажа на платах. Поскольку МКП не содержат монтажных отверстий и технология изготовления коммутации обеспечивает ее высокоплотное размещение, то на таких платах можно осуществить только поверхностные сборку и монтаж ПМК, что обеспечивает: высокоплотный монтаж ФЯ, уменьшение площади МКП, улучшение функциональных характеристик ячеек и снижение стоимости их изготовления.
Как отмечалось ранее, для керамических КП важно согласование ТКЛР сопрягаемых материалов, поэтому лучшая технологическая совместимость достигается при использовании ПМК в металлокерамических корпусах с 2-х или 4-хсторонней разводкой выводов (или выводных контактных площадок). Такие многовыводные корпуса (с количеством выводов более 18) используют при корпусировании БИС (СБИС) и обычно называют кристаллодержателями; их относят к вакуумплотным высоконадежным корпусам, чаще применяемым в специальной аппаратуре. Кроме БИС (СБИС) в составе ФЯ обычно используют и дискретные компоненты (чаще всего чип-конструкции и реже в микрокорпусах (типа SO)), которые также должны быть совместимыми по ТКЛР с материалами МКП.
Технологический процесс сборки и монтажа ПМК на КП в простейшем случае (если сборка и монтаж ПМК осуществляются с одной стороны МКП, и сборка выполняется вручную) включает основные этапы:
формирование припойных площадок на знакоместах с контролем толщины припойного покрытия;
нанесение флюса;
позиционирование ПМК на МКП;
микроконтактирование пайкой;
очистка смонтированной ячейки;
выходной контроль качества сборки и монтажа и, при необходимости, устранение дефектов.
Таблица 12
Сравнительные характеристики традиционно- и поверхностно-монтируемых
Компонентов
| Характеристики для сравнения | Разновидности корпусов БИС | |||
| DIP | SO, FP | Кристаллодержатели | ||
| с выводами | безвыводные | |||
| Общий вид конструкции |  |   |   |   |
| Потребность в монтажных отверстиях на КП | Есть | Нет | Нет | Нет |
| Возможность 2-х сторонней сборки и монтажа на КП | Нет | Есть | Есть | Есть |
| Использование площади КП | Неэффективно | Выигрыш на 35 – 50% | Выигрыш до 60% | Выигрыш до 70% и более |
| Автоматизация сборочных работ | Затруднена | Высокоэф-фективна | Эффективна | Эффективна |
| Относительная масса (по отношении к массе DIP), отн. ед. | 1,0 | 0,12 – 0,3 | 0,1 – 0,4 (для пластмассовых) 0,2 – 0,6 (для керамических) | 0,2 – 0,5 |
| Доступность для визуального контроля | Отличная | Хорошая | Хорошая | Неудовлетво-рит.;требуются спец. средства контроля |
| Потребность в элементах тестирования на КП | Нет | Нет | Есть | Есть |
| Оборудование для монтажа на КП | Обычное | Специализи- рованное | Специализиро-ванное | Специализиро-ванное |
| Способ транспортировки и подачи на сборку | индивидуальный носитель | групповой носитель | групповые носители | |
| Максимальное число выводов | до 40 (ограничение по максимуму) | до 56 (ограничение по максимуму) | более 172 (ограничение по минимуму) | |
| Устойчивость к механическим нагрузкам | Неудовлетво-рительная | Хорошая | Улучшенная | |
| Возможность улучшения электрических характеристик БИС | Не имеется | Имеется | Имеется | Имеется в значительной степени |
| Характеристики для сравнения | Разновидности корпусов БИС
| |||
| DIP | SO, FP | Кристаллодержатели | ||
| с выводами | с выводами | |||
| Технологическая совместимость с групповыми способами пайки | Обеспечивается с ограничением (только одним способом – пайкой волной (или волнами) припоя) | Обеспечивается большим разнообразием выбора способов пайки оплавлением дозированного припоя с применением и без применения групповых термоинструментов | ||
| Особенности очистки ячеек после монтажа | Просто реализуема | Затруднена | Затруднена | Крайне затруднена |
| Возможность теплоотвода | Хорошая | Не затруднена | Не затруднена | Затруднена |
| Возможность размещения печатных проводников под корпусом | Есть | Есть | Нет | Нет |
| Стоимость | Низкая (для пластмассовых многовыводных) Средняя (для керамических) | Низкая | Средняя (для пластмассовых многовыводных) Повышенная (для керамических) | Высокая |
Сборка ПМК на МКП
Автоматизация сборочных операций обеспечивает лучшее качество сборки, особенно с применением сборочных автоматов (их называют автоматы-укладчики или автоматы-сборщики), оснащенных системами технического зрения и работающих по гибкой программе (т.е. гибких сборочных модулей (СМ)). Обычно СМ классифицируют по производительности (определяемой количеством позиционируемых (устанавливаемых на плату) компонентов в единицу времени (обычно в час)), а также по уровню автоматизации (оцениваемому количеством одновременно позиционируемых компонентов за время выполнения одной операции).
По производительности различают следующие типы автоматов: 1) с малой производительностью (в т.ч. высокопрецизионные), позволяющие устанавливать на плате менее 4000 компонентов в час; 2) со средней – до 6000 комп./ч; 3) высокопроизводительные – до 20000 комп./ч; 4) сверхпроизводительные – до 100000 комп./ч. Кроме того, автоматы-сборщики в пределах каждого из типов 1 – 4 отличаются по своей гибкости, по сложности конструкции, уровню автоматизации и имеют определенные ограничения, в том числе с учетом конкретных условий их применения (например, минимальный ход сборочной головки и размеры зоны позиционирования, расположения устройства подачи компонентов (питателя) относительно рабочей головки и др.).
По уровню автоматизации различают последовательную сборку (поединичную на одном СМ, либо поточную на автоматизированной линии, состоящей из нескольких СМ) и параллельную (групповую поочередную на универсальном СМ, поточно-групповую на автоматизированной линии; симультанную (одновременную), реализуемую на одном СМ, либо на автоматизированной линии, в зависимости от типа производства). Автоматы для последовательной сборки ПМК на КП (т.е. когда компоненты поочередно друг за другом устанавливают на плату) обеспечивают низкий уровень автоматизации, а для параллельной сборки (когда одновременно устанавливается группа ПМК одного или нескольких типов) – средний и высокий.
Цикл работы СМ включает операции: захват компонента (конкретного типа и типоразмера) с идентификацией; ориентация относительно позиции на плате; контроль функциональных параметров; перемещение к месту установки с предварительной корректировкой точности позиционирования; установка в позицию на знакоместе; окончательная корректировка точности позиционирования. Многие СМ для сборки ПМК на керамической КП оснащены рабочими столиками с подогревом и устройствами дозированного нанесения адгезивов (клеев), например, пневмодозаторами, а также устройствами для замены компонентов (если какой-либо из них на операции функционального контроля будет забракован).
Нанесение на плату припойной пасты с применением трафаретной печати осуществляют на этапе сборки ПМК на МКП, непосредственно перед подачей МКП на сборочный автомат.
Припойные пасты находят широкое применение в ТПМ компонентов на КП. Припойные пасты в своем составе содержат порошкообразный припой, флюс и органические наполнители. Содержащийся в пастах флюс обеспечивает растворение окислов, очищение контактных площадок, улучшает смачиваемость поверхности припоем. Клеящие свойства припойных паст позволяют фиксировать компоненты на платах без применения клеев, чем повышается технологичность и ремонтопригодность ФЯ. Органические наполнители улучшают распределение порошка припоя в объеме пасты, регулируют ее тиксотропность, предотвращают разбрызгивание при лазерной пайке.
Припой в объеме пасты находится в виде взвешенных частиц, оплавляемых при пайке и образующих паянное соединение. На свойства пасты влияет как состав припойного сплава, так и размеры и форма частиц, их процентное содержание.
Для пайки ПМК на КП рекомендуется применять низкотемпературные оловянно-свинцовые припои. Наиболее технологичными являются эвтектические или околоэвтектические припои системы олово-свинец. Они отличаются низкой температурой начала плавления, отсутствием или малым (не более 5…10 оС) интервалом плавления и кристаллизации, хорошим смачиванием многих металлов, затеканием в зазор. В настоящее время применяют оловянно-свинцовые припои составов: Sn63-Pb37, Sn60-Pb40, Sn40-Pb60, Sn95-Ag5, Sn62-Pb36-Ag2 и др. Применение оловянно-свинцовых сплавов не рекомендуется для пайки выводов с золотым и серебряным покрытием из-за повышенной растворимости материала покрытия в припое.
К припойным пастам предъявляются следующие требования:
они не должны окисляться, а также сильно и быстро расслаиваться;
желательно долго сохранять свои реологические свойства (т.е. способность к вязкому течению в условиях деформации);
не растекаться далеко за пределы первоначально нанесенной дозы;
не оставлять твердых неудаляемых остатков после пайки;
обладать клеящими свойствами;
не разбрызгиваться при воздействии достаточно концентрированного источника нагрева;
не ухудшать электрических характеристик ПМК и МКП;
отмываться в стандартных растворителях;
наноситься на поверхность нужным способом;
быть доступными по цене.
Использование припойных паст обеспечивает значительную (до 30…50%) экономию припоя благодаря точечному дозированию. Клеящие свойства некоторых паст позволяют использовать их для фиксации ПМК на этапе сборки ФЯ.
Следует перечислить такие важные с технологической точки зрения характеристики припойных паст, как вязкость, растекаемость в исходном состоянии (или расплывание за пределы нанесенной дозы), растекаемость во время пайки, расслаиваемость (седиментация – оседание порошка в пасте при хранении), смачиваемость данного основного металла. Их необходимо учитывать при разработке процессов сборки и монтажа ФЯ.
Содержание металлического порошка (80…95% от массы припоя) определяет толщину оплавленного припоя, оседание и растекание порций пасты и другие свойства. В случае оловянно-свинцовых припоев при содержании порошка припоя 90% (по массе) объемное содержание металла по толщине припойного слоя составляет около 60%. При содержании порошка припоя в пасте 75% (по массе) его содержание по объему наносимого слоя составляет всего около 35%.
Размер и форма частиц порошка оказывают сильное влияние на реологические свойства пасты. Так, присутствие в пасте крупных частиц ухудшает реологические свойства пасты и качество печати. Мелкие частицы порошка припоя имеют относительно большую суммарную площадь поверхности, что увеличивает скорость их окисления. Наилучшие результаты получаются при использовании частиц диаметром 25 – 75 мкм. Форма частиц определяет во многом способность пасты дозироваться тем или иным способом. Если частицы имеют неправильную форму – продолговатую, в виде чешуек, то паста начинает забивать мелкие отверстия сетки трафарета или шприца дозатора. Для таких паст единственно возможным вариантом остается дозирование через металлическую маску – трафарет. Частицы припоя сферической формы придают пасте способность к легкому продавливанию через узкие отверстия сетки или дозатора.
Паяемость припойной пасты зависит от содержания в ней окислов и загрязненности поверхности частиц порошка припоя (припой не должен содержать более 0,5% кислорода), но важно не только объемное содержание кислорода, а и его количество в тонком приповерхностном слое, реагирующем в самом начале процесса пайки с флюсом и основным металлом. Отрицательное влияние на свойства пасты оказывает также углерод. Поэтому на всех этапах существования припойной пасты, начиная от изготовления порошка и кончая пайкой, необходимо принимать все меры против взаимодействия частиц припоя с кислородом и углеродом.
Кроме порошка припоя и флюса в состав пасты вводят 4…15% связующих веществ. Именно они (иногда с добавлением растворителя) придают пасте нужную консистенцию, препятствуют расслоению и растеканию припойной пасты, повышают ее разрешающую способность, придают клеящие свойства, адгезию к материалам, на которые наносят пасту.
Связующее вещество нейтрально по отношению к припою при хранении, а при нагреве и в процессе пайки улетучивается или расплавляется без образования трудно удаляемых твердых остатков.
В качестве связующих веществ используют органические смолы или их смеси, разбавители и другие вещества. К ним добавляют растворители, пластификаторы, тиксотропные вещества. Последние препятствуют оседанию частиц порошка припоя во время хранения, повышают разрешающую способность печати пасты, обеспечивают заданный диапазон вязкости.
Водосмываемые припойные пасты относятся к классу абсолютно растворимых и экологически безопасных композиций. В композиционный состав таких паст входят:
порошкообразный припой (ПОС-61 или ПОСВ-45) средней дисперсности 50 мкм, представляющий собой гранулы не только сферической формы. Допускается присутствие гранул удлиненной формы с сечением 30 мкм и длиной до 80…90 мкм (в количестве до 15%);
флюсующая композиция на основе органических ингредиентов в количестве 10…17% (вес);
специальные добавки (до 2% массы).
Рекомендуемая вязкость пасты 1000…1300 Па·с. Температурный интервал активности флюса: 130…300ºС.
Температура оплавления: 235+10ºС (для пасты, содержащей ПОС-61) и 150+10ºС (для пасты, содержащей ПОСВ-45).
Адгезив для фиксации компонентов на МКП представляет собой 40%-ный раствор канифоли в триэтаноламине. Перед нанесением адгезива на МКП осуществляют предварительный его подогрев в водяной бане при кипении воды в течение 10 – 15 минут. В то же время МКП подвергается контролю качества формирования припойного покрытия с измерением толщины контактных площадок знакомест, которая может быть в пределах 70 – 300 мкм, после чего МКП размещают на установке трафаретной печати и прогревают до температуры 100 - 120ºС. Далее при помощи трафарета и ракеля адгезив равномерно наносят на поверхность МКП (толщина слоя адгезива должна составлять 0,1 – 0,15 мм), затем плату естественно охлаждают и проводят контроль качества сформированного слоя адгезива в соответствии с оценочными критериями качества, изложенными в технологической документации (ТД).
Процесс размещения ПМК на МКП вручную осуществляется следующим образом:
размещение МКП на сборочном столике с нагревателем;
подогрев МКП до температуры 80 - 100ºС;
выбор нужного ПМК с осмотром на выявление внешних дефектов в соответствии с ТД;
позиционирование ПМК на знакоместе платы с совмещением выводов компонента с контактными площадками знакоместа платы в соответствии с ТД поочередно для всех компонентов;
с помощью микроскопа проверяют качество совмещения ПМК с контактными площадками знакомест МКП и окончательно корректируют (при необходимости) положение ПМК в позиции знакоместа;
охлаждение собранного объекта до комнатной температуры, его укладка в технологическую тару и передача на монтаж.
Монтаж ПМК на МКП
Известно, что качество монтажа лучше обеспечивается при использовании технологий групповой пайки компонентов на плате, тем более, что в технике поверхностного монтажа (ТПМ) выбор таких технологий велик в отличие от традиционного монтажа (для которого хорошо отработана только технология групповой пайки с применением волн припоя).
В зависимости от уровня автоматизации различают следующие групповые способы пайки в ТПМ:
поочередно-групповая с помощью группового термоинструмента (ГТИ);
поточная поочередно-групповая с помощью ГТИ;
групповая с применением летучего теплоносителя;
групповая струей припоя;
групповая с использованием концентрированных потоков энергии;
симультанная (одновременная безинструментальная) с использованием жидких технологических сред (ТС);
симультанная с использованием газообразных ТС;
симультанная с использованием распределенных облучающих ТС;
симультанная с контактным нагревом или в сочетании с газообразной ТС.
В основу всех этих способов пайки положен принцип оплавления дозированного припоя (ОДП) с использованием разных ТС, с применением или без применения ГТИ. Симультанные способы пайки ОДП более перспективны (с точки зрения качества, надежности, компактности монтажа, а также производительности оборудования для пайки), чем прочие, в особенности при оснащении технологического оборудования встроенными средствами контроля за выполнением процесса пайки.
При одностороннем поверхностном монтаже (ПМ) ПМК на МКП целесообразно использовать пайку ОДП с нагревом инфракрасным (ИК) излучением (или упрощенно - пайку ОДП с ИК-нагревом). Технологический модуль (обычно многозонный) пайки (конвейерная печь) ПМК на керамической плате (рис. 4, а) должен обеспечивать:
отсутствие перегрева ПМК;
избежание градиентов температуры по поверхности и объему монтируемого объекта;
возможность двухстороннего нагрева объекта;
автономное регулирование и стабилизацию температурно-временного режима в каждой зоне модуля (рис. 4, б);
автономное регулирование скорости движения конвейера;
оперативное отображение информации о технологических параметрах процесса пайки;
возможность оптимизации параметров процесса пайки (с выбором оптимального температурного профиля при учете температур каждой зоны);
подачу очищенного инертного газа с регулируемой скоростью его подачи в нужную зону.
В процессе пайки скорость нагрева контролируется изменением мощности каждого излучателя и скорости движения конвейера с объектом монтажа. Если скорость нагрева не оптимизировать, то в монтируемом объекте возникают термические напряжения, что нередко приводит к появлению неустранимых дефектов в объектах монтажа.
Основным недостатком пайки ОДП с ИК-нагревом является зависимость количества энергии излучения, поглощаемой компонентами и платами, от поглощающей способности материалов, из которых они изготовлены. Это является еще одной причиной возникновения остаточных напряжений в структуре объекта монтажа. Поэтому выбор температурного профиля для такого способа пайки, а также материалов ПМК и МКП, должен быть обоснованным.
Процесс одностороннего монтажа ПМК на МКП включает:
визуальный контроль плат с собранными компонентами в соответствии с ТД;
проверку температурного профиля модуля пайки (максимальная температура I зоны 120 - 150ºС; II зоны 240 - 270ºС; III зоны 270 - 300ºС; минимальная температура IV зоны 50 - 70ºС; время (усредненное) нахождения объекта в каждой зоне указано на рис. 4, б);
укладку МКП с ПМК в специальную оснастку (поддон), которую помещают в приемное устройство модуля пайки;
в соответствии с ТД проведение процесса пайки поочередно для каждой МКП с ПМК при подаче очищенного азота в зоны нагрева (расход азота 5 – 8 л/мин) и в зону охлаждения (расход азота 10 – 15 л/мин);
извлечение смонтированных ячеек из зоны IV и охлаждение их до комнатной температуры;
очистку смонтированных ячеек;
выходной контроль качества монтажа.
Рис.4. Схема реализации процесса пайки оплавлением дозированного припоя с ИК-нагревом (а) и температурно-временной режим (температурный профиль этого способа пайки ПМК на МКП) (б); 1 – корпус конвейерной печи; 2 – ленточный конвейер; 3, 4 – источники ИК-излучения (соответственно панели и лампы); 5, 6 – подача азота соответственно в зону охлаждения и нагрева; 7 – монтируемый объект; I – зона предварительного нагрева; II – зона нагрева до температуры пайки; III – зона пайки; IV – зона охлаждения.
Очистка смонтированных ячеек осуществляется в азеотропном очистителе (спирто-бензиновая смесь) в многокамерной (обычно 3 – 5-ти камерной) с барботированием очистителя воздухом (при расходе воздуха 20 л/ч). В каждую из камер (содержащих очиститель) ячейка погружается и выдерживается до 10 мин при барботировании очистителя, а перед погружением в каждую последующую камеру и по завершении процесса очистки ячейку продувают сжатым воздухом (под углом 45º) с целью удаления остатков флюса (и продуктов его взаимодействия с загрязнениями) из-под корпусов ПМК. Дополнительно может быть применена кистевая очистка, например вручную, после чего следует контроль качества монтажа, включая качество очистки. На рис.5 показаны допустимые и недопустимые формы паянных соединений, наблюдаемые при выходном контроле качества монтажа ФЯ.
Рис.5. Формы паянных соединений (галтелей), наблюдаемые при выходном контроле качества монтажа: а – в – допустимые; г, д – недопустимые; 1 – корпус кристаллодержателя (БИС); 2 – вывод; 3 – верхняя галтель при монтаже ленточного вывода на выводной площадке корпуса; 4 – нижняя галтель при монтаже вывода корпуса на контактные площадки платы; 5 – контактная площадка МКП; 6 – диэлектрик МКП (т.е. керамика).
При двухстороннем монтаже ПМК на МКП процесс сборки и монтажа несколько усложняется. На одной стороне сборка и монтаж выполняются аналогично ранее описанной технологии. Однако с учетом необходимости сборки и монтажа на другой стороне платы, следует при компоновке ячейки на этапе ее проектирования расположить ПМК в шахматном порядке, на одной стороне по отношению к другой, чтобы обеспечить качественный 2-х сторонний монтаж ПМК. В частности, сборка и монтаж на другой стороне платы может проводиться последовательно для каждого компонента с применением вакуумных пинцетов (для позиционирования) и локальной пайки ОДП в струе горячего азота. При этом для избежания больших градиентов температуры, нагрев струей горячего газа осуществляется локально с 2-х сторон МКП (при правильном проектировании ФЯ на первой стороне МКП не должно быть компонента, поэтому смещений, оплавлений или повреждений ПМК на ранее смонтированной стороне не должно быть).
После монтажа ФЯ следует проводить очистку и контроль качества монтажа ячейки по ранее описанным технологиям.
Домашнее задание
1. Ознакомиться с материалом, изложенным в описании работы. Изучить процесс изготовления многослойных керамических плат, обратить внимание на последовательность операций при изготовлении МКП по двум типам технологий (пакетной и подложечной).
2. Составить форму табл. 13, заполнив в ней графу «Характерные особенности изготовления ПМ-изделия»; подготовить начальную часть отчета, содержащую титульный лист, цель работы и краткие теоретические сведения (не менее 3-х страниц).
3. Подготовить ответы на контрольные вопросы.