Научно-производственное предприятие "квп радуга" Технологический процесс

сборки печатных узлов с применением технологии поверхностного монтажа

В настоящем документе рассматривается, как наиболее общий, технологический процесс монтажа печатной платы, содержащей поверхностно монтируемые элементы на обеих сторонах и элементы, монтируемые в отверстия, на одной из сторон.

Поверхностно монтируемые

элементы
Процесс монтажа состоит из трех основных частей:

а)нанесение припойной пасты на контактные площадки через трафарет,

б)установка элементов на плату,

в)пайка.
Рассмотрим каждую из трех составляющих технологического процесса подробнее.

Трафарет закрепляется на устройстве трафаретной печати, под ним на базовых штырях устанавливается печатная плата, затем отверстия трафарета совмещаются с контактными площадками печатной платы. Припойная паста, нанесенная на трафарет, с помощью ракеля (металлического, резинового или полиуретанового) продавливается через окна трафарета на контактные площадки печатной платы.

Последовательность нанесения припойной пасты на рассматриваемую плату следующая:

0. 
   нанести пасту на контактные площадки платы на стороне, где должны быть расположены поверхностно монтируемые элементы и элементы, монтируемые в отверстия. Следует обратить внимание, что паста наносится только на контактные площадки для поверхностно монтируемых элементов;
   
1. 
   нанести пасту на контактные площадки для поверхностно монтируемых элементов и в отверстия для элементов, монтируемых в отверстия. Паста наносится на стороне печатной платы, где должны быть расположены только поверхностно монтируемые элементы.
   

Последовательность установки элементов:

0. 
   установить элементы на сторону печатной платы, где должны быть расположены только поверхностно монтируемые элементы;
   
1. 
   на стороне, где располагаются элементы, монтируемые в отверстия, и поверхностно монтируемые элементы, установить элементы, монтируемые в отверстия;
   
2. 
   на той же стороне установить поверхностно монтируемые элементы.
   

Рекомендуется сначала устанавливать многовыводные элементы (микросхемы), затем - элементы с небольшим количеством выводов.

Выводы элементов, монтируемых в отверстия, должны быть предварительно отформованы и обрезаны таким образом, чтобы вывод элемента со стороны пайки выступал над плоскостью платы на 1 - 1,5 мм.

Все три этапа установки элементов на плату желательно производить на разных рабочих местах, разными монтажниками.

С целью повышения производительности труда монтажников и уменьшения количества ошибок монтажа на одном рабочем месте следует устанавливать не более 15 - 20 элементов.
3.Пайка

1. 
   Базовые температурные режимы пайки.
   

Кривая 1 отражает классическую кривую трехзонной пайки.

Кривая 2 отражает экспоненциальную кривую однозонной пайки.

2. 
   Классическая пайка на конвейерных трехзонных и шестизонных печах “Радуга-3”,
   

Для этого необходимо:

0. 
   закрепить термопару на плате таким образом, чтобы спай термопары был плотно прижат к поверхности печатной платы. Термопару желательно закреплять в центре посадочного места наиболее массивного элемента (например - микросхемы);
   
1. 
   сверху закрепленного спая термопары установить элемент, который должен находиться в данном месте печатной платы;
   

0. 
   подключить термопару к термоизмерительному прибору (например - КСП-4) с пределом измерения не менее 250°С;
   
1. 
   установить плату на подплатник;
   

0. 
   подплатник поставить на конвейер установки пайки;
   
1. 
   установить скорость движения конвейера равную 0,5±0,05 м/мин;
   
2. 
   установить температуру нагревателей печи: I зона - 300°С
   

III зона - 300°С;

0. 
   включить конвейер.
   

3. 
   Экспоненциальная пайка на однозонных печах “Радуга-10”, “Радуга-11”, “Радуга-7”.
   

• 
  установить на таймере 2 мин,
  
• 
  установить температуру нагревателей 300°С,
  
• 
  установить подплатник в печь и сразу запустить таймер.
  

После установки необходимого температурного режима печи печатную плату с установленными компонентами помещают на подплатник, который устанавливают на конвейер для осуществления групповой пайки. Плата размещается вверх элементами, монтируемыми в отверстия.

Необходимо помнить, что на стороне печатной платы, которая при пайке будет являться нижней, не следует устанавливать ЧИП-элементы весом более 0,5 г и микросхемы. Это необходимо предусмотреть при разработке топологии печатной платы.

Если температурный режим печи установлен правильно, пайку печатных плат, на которые настроена в данный момент печь, можно производить без повторного контроля температуры на поверхности платы в течение месяца.

Руководство по эксплуатации

настольных ремонтно-паяльных печей «Радуга-7»

и настольных печей «Радуга-10» и «Радуга-11»

1.Настройка печи для пайки плат определенного вида

Для того, чтобы осуществить пайку электронных блоков на печатных платах в наиболее «мягком» режиме экспоненциального нагрева, необходимо установить такое значение температуры на индикаторе регулятора температуры, при котором печатная плата электронного блока, находясь в условиях прогрева верхним и нижним нагревателями (в нагревательной камере), за время 1,5 – 3 минуты достигает температуры 200 – 205 ºС.

Для настройки печи необходимо произвести следующие действия:

1.1.Закрепить спай термопары на печатной плате-представителе. При закреплении термопары необходимо обеспечить контакт спая с поверхностью печатной платы, для чего целесообразно, используя углубление или отверстие в печатной плате, закрепить в них спай термопары с помощью хомутиков или микросхем.

1.2.Выдвинуть рамку из нагревательной камеры и разместить исследуемую плату на регулируемых направляющих рамки.

1.3.Вдвинуть рамку с печатной платой в нагревательную камеру печи и включить таймер или секундомер. Контролировать скорость нарастания температуры на плате по показаниям измерителя температуры (3).

1.4.В случае достижения изделием температуры 200 ºС быстрее чем за 1,5 минуты – уменьшить, а, если 200 ºС не будет достигнуто за 3 минуты – увеличить заданную температуру нагревателей на 10 ºС. Остудить плату до комнатной температуры и повторять действия пп. 1.3. и 1.4. до тех пор, пока исследуемая печатная плата не будет достигать температуры 200 ºС за 1,5 – 3 минуты. Реальное время, за которое печатная плата достигнет указанной температуры, установить на индикаторе таймера (2).

1.5.Собрать опытную плату со всеми элементами, подлежащими пайке в печи. Произвести пайку платы по режимам, полученным для платы-представителя. В случае получения локальных непропаев (холодных паек) в точках платы с большой теплоемкостью, увеличить заданное значение температуры нагревателей на 5 – 10 ºС или увеличить время пайки (значение времени на таймере (2)) на 5 – 10 сек.

После этого печь считается настроенной для пайки конкретного изделия (группы изделий) и соответствующие значения, установленные на приборах печи, могут быть отражены в технологической документации.

Примечание: Функцией регулятора температуры является точное поддержание температуры в нагревательной камере. При этом на индикаторе регулятора температуры отражается температура на поверхности нагревателей, которая может сколь угодно много отличаться от значения температуры в нагревательной камере. Абсолютное значение температуры в нагревательной камере можно измерить с помощью дополнительной термопары и измерителя температуры (3).

2.Особенности экспоненциальной (однозонной) пайки.

Предпочтительным режимом пайки в печах «Радуга-7», «Радуга-10», «Радуга-11» является экспоненциальный (однозонный) режим, позволяющий избежать периодов жесткого воздействия температуры на плату и элементы.

Благодаря конструктивным особенностям нагревательных элементов и печи, обеспечивающим равномерное распределение температуры на поверхности печатной платы, имеется возможность, выбрав оптимальную скорость нарастания температуры, получить очень низкую рабочую температуру пайки (например, для ПОС-61 – это 200 – 205 ºС). При этом сохраняются такие преимущества многозонной пайки как своевременное выпаривание связующего вещества из припойной пасты, выравнивание температур компонентов к моменту пайки, и добавляются новые: выравнивание температур компонентов в момент пайки и достижение значительно более низких температур пайки.

Новые технологии
Зрелые работники радиоэлектронной отрасли, вне зависимости от ведомства, в котором они работали, будь то Радиопром, Минприбор, Средмаш или Общемаш, Электронпром или МПСС, МО или Судпром, помнят, как в начале-середине 80-х годов началось активное становление технологии поверхностного монтажа, как безвыводные и бескорпусные элементы, применяемые ранее в микросборках, стали монтировать на стеклотекстолитовые печатные платы, как резко увеличивалась интеграция ИС, уменьшался шаг выводов ИС и ширина проводника на печатных платах.

К чему привели сегодня наметившиеся тогда тенденции?

Положительные моменты:

• 
  уменьшились габариты электронных блоков,
  
• 
  увеличилось быстродействие электронной аппаратуры,
  
• 
  были решены многие вопросы автоматизации сборочно-монтажных процессов.
  

• 
  разница в величине линейного расширения керамического или ситалового ЧИП-ком­понента и материала печатной платы – стеклотекстолита – ведет при нагревах и охлаждениях электронного блока к возможным разрушениям компонентов или паяных контактов, а, в ряде случаев, и к разрывам токоведущих дорожек платы,
  
• 
  производство печатных плат подошло к границам применения “мокрых” методов химического травления печатных плат. Производство печатных плат 4 и 5 классов точности становится очень дорогим и остается, по-прежнему, экологически вредным. Получить стабильные и надежные соединения становится все труднее. Невымываемые вкрапления травителя, оставшиеся в микропорах проводников шириной менее 200 мкм являются источником деградации проводника в процессе эксплуатации изделия. Чем тоньше проводник, чем больше в нем подтравов, нестабильности ширины тем серьезнее этот фактор отказов,
  
• 
  микросхемы высокой степени интеграции не всегда отличаются надежной и стабильной работой; здесь приходится решать задачи отвода тепла от работающей ИС, охранять схему от многих видов электромагнитных излучений, обеспечивать надежную разварку внутренних выводов микросхемы при корпусировании и обеспечивать неразрушение внутренних контактов ИС при разных видах технологического воздействия и испытаний; результат – небольшой выход годных СБИС и их дороговизна.
  

Любому самостоятельно мыслящему человеку понятно, что отсутствие отечественной электроники будет означать отсутствие отечественной обороны и отсутствие государственной независимости. Но отечественная электронная отрасль может сохраниться только как конкурентоспособная отрасль. Имеем ли мы сегодня в стране рычаги, способные поднять отечественные радиоэлектронные изделия до уровня и выше уровня конкурентоспособности в мире?

Да, такие рычаги есть!

Отставая от американцев и японцев по уровню развития субмикронных технологий производства СБИС, наши конструкторы, еще до начала перестройки, стали разрабатывать методы коммутации серийных кристаллов невысокой степени интеграции в составе многокристальных модулей, выполняющих функции СБИС. В результате многокристальные модули, производящиеся в нашей стране, функционально превосходили американские и японские СБИС и при этом – были дешевле и надежнее.

Надо сказать, что в последнее время американские и японские специалисты оценили преимущества многокристальных модулей и сейчас интенсивно проводят работы в данном направлении по двум национальным программам. Однако российские методы производства многокристальных модулей по-прежнему дешевле и надежнее.

Огрубленно и схематично технология многокристальных модулей и свободных масок может быть описана следующим образом.

1. 
   На подложке из алюминия штампом пробиваются прямоугольные отверстия соответствующие, с допустимым увеличением, размерам кристаллов ИС, монтируемых в данное отверстие.
   
2. 
   На подложке с отверстиями методом анодирования формируется диэлектрический слой.
   
3. 
   Кристаллы ИС размещаются в предназначенные для них отверстия подложки так, чтобы верхняя сторона кристаллов, содержащая контактные площадки ИС, была направлена вверх.
   
4. 
   На подложку с уложенными кристаллами наносится полиэмидная пленка, к которой затем прижимается – приклеивается лицевая сторона каждого кристалла ИС.
   
5. 
   Методом ионного травления в полиэмидной пленке формируются отверстия, вскрывающие контактные площадки ИС.
   
6. 
   Сформированную указанным выше способом подложку размещают на столе из магнитного материала, сверху на подложку, с высокой точностью, накладывают коваровую маску – фольгу с тонкими прорезями-линиями – для последующего формирования через них токоведущих дорожек. При этом стол из постоянного магнита плотно прижимает маску к подложке.
   
7. 
   Методом сплошного напыления через маску формируют токоведущие дорожки из меди (в ряде случаев, предварительно напылив подслой титана для обеспечения высокой адгезии) и никеля – защитного слоя. При этом, не используя пайку и сварку, мы получаем соединение контактных площадок ИС с токоведущими дорожками платы. После нанесения слоев Ti – Cu – Ni коваровая маска снимается с подложки.
   
8. 
   Для увеличения возможностей разводки на полученную топологию первого слоя вновь наносится полиэмидная пленка, в которой методом ионного травления вскрываются переходные межуровневые отверстия и, через вторую маску, производится формирование второго слоя разводки с контактными площадками для монтажа электронных компонентов. При этом одновременно с формированием второго уровня топологии платы, происходит формирование переходных соединений верхнего и нижнего уровней.
   

Каковы же причины достижения такой плотности?

1. 
   Применение кристаллов ИС без каких-либо выводов, отсутствие сварных и паяных контактов.
   
2. 
   Возможность формирования проводников порядка 50 – 70 мкм шириной, при необходимости – 10 мкм.
   
3. 
   Диаметр переходного отверстия – не более ширины проводника.
   

Теперь поговорим о повышении надежности при реализации схем по технологии “многокристальных модулей”. Увеличение и очень существенное увеличение надежности (более чем в 5 раз) связано со следующими факторами:

1. 
   Отсутствие выводов ИС. Отсутствие, в связи с этим, паяных и сварных соединений этих выводов с контактными площадками ИС и подложки.
   
2. 
   Проводник формируется сухим методом и состоит из чистых материалов, не содержит никаких остатков травления, являющихся фактором деградации тонких проводников обычных печатных плат.
   
3. 
   Близость коэффициентов линейного расширения кристалла, оксидного защитного слоя подложки, керамических корпусов конденсаторов и ситаловых корпусов резисторов для поверхностного монтажа обеспечивает безотказную работу блоков при резких перепадах температуры.
   
4. 
   Кристаллы ИС, уложенные в алюминиевую или керамическую подложку (при необходимости – в подложку из теплопроводной керамики), находятся в условиях постоянной теплоразгрузки на тело подложки, что создает надежные условия эксплуатации ИС.
   
5. 
   Подложка из алюминия естественным образом создает не только теплоразгрузку кристаллов, но и обеспечивает защиту схемы от постороннего электромагнитного воздействия.
   

Радикальным решением этой проблемы можно считать замену разъемного соединения на легко перепаиваемое. Наличие никелевой защиты медных проводников и ламелей дает возможность многократных, сколь угодно частых перепаек контактов. Это возможно из-за того, что никель препятствует контакту припоя и меди и не допускает растворения меди в олово-свинцовом припое даже после большого количества перепаек.

С учетом вышеизложенного можно представить новую конструкцию очень многих видов радиоэлектронной аппаратуры.

Новая конструкция состоит из следующих основных элементов:

1. 
   Коммутационная объединительная плата – основа из стали с полиэмидным диэлектрическим слоем, на котором, указанным выше методом свободных масок, сформирована коммутирующая разводка. Во многих случаях в качестве коммутационной платы может быть использована задняя стенка прибора.
   
2. 
   Микромодули, изготовленные по технологии многокристальных модулей и свободных масок, припаяны с помощью торцевых контактов и ламелей к объединительной коммутационной плате.
   

Устранение многих ныне присутствующих факторов отказов электронных блоков на печатных платах позволяет устранить многие операции промежуточного контроля. Микромодуль можно проконтролировать, впаяв его в заведомо работоспособное изделие, несущее функцию настроечного, эталонного образца, а затем выпаять из эталонного и впаять в рабочее изделие.

Очевидно, что увеличение надежности РЭА сопряжено с прямой экономической выгодой. Кроме того, во многих изделиях надежность – одно из определяющих требований, предъявляемых к данному виду РЭА.

Существенно, что процесс производства многокристальных модулей методом свободных масок экологически чист.

• 
  устройство напыления,
  
• 
  устройство ионного травления полиэмидной маски.