Технологии в электронной промышленности №2'2005

Обновление технологий в российской электронной промышленности

Аркадий Медведев


Окончание, начало в номере 1`2005


Окончание, начало в номере 1`2005

Комплектование сборочно-монтажного производства

Смещение сборочно-монтажных технологий в сторону SMT не предвещает полного отказа от технологий монтажа штыревых выводов в отверстия. Распределение типов сборки показано на рис. 14. Поэтому контрактные производства комплектуют свои технологические линии стандартным набором оборудования, чтобы изготавливать электронные модули по любой схеме монтажа (рис. 15). Функциональные возможности таких линий наращиваются в основном за счет модулей сборки (установки компонентов). Наращивается номенклатура компонентов, скорость установки, вводится тестирование компонентов на пролете от питателя до платы. Последняя новинка, которая была показана на выставке в Нюрнберге в 2003 году, — сборка трехмерных модулей для автомобильной электроники. Такие модули могут устанавливаться непосредственно на управляемых агрегатах, повторяя их форму. В состав линии входит специальный модуль установки компонентов на разных горизонтальных уровнях. Вне линии помещается устройство нанесения клея и установки микрокомпонентов и лазерная система пайки. Можно считать, что развитие технологии монтажа компонентов идет эволюционно, и эту эволюцию можно проследить по основным составляющим сборочно-монтажного производства.

Рис. 14. Распределение типов монтажа

Материалы для пайки

Еще совсем недавно ничто не предвещало смену старого «заслуженного» эвтектического сплава олово-свинец Sn63/Pb37. На его основе в обращении находятся различные припои с различными легирующими присадками для различных применений. В расчете на использование Sn63/Pb37 разработан широкий ряд процессоров, оборудования, покрытий, материалов монтажных подложек. Незыблемость этого сплава была поколеблена наличием в нем свинца, приговоренного экологами к изъятию из электронной аппаратуры.

Однако альтернативу эвтектике Sn63/Pb37 найти трудно, и первые предложенные для пайки бессвинцовые сплавы заметно ей проигрывают. Совершенно очевидно, что эти бессвинцовые сплавы потребуют больших температур паек и вслед за этим — изменений флюсов и припойных паст, а также новых технологий пайки с использованием нейтральной среды для предотвращения окислений, термоокислительной деструкции компонентов и материалов, новых финишных покрытий, увеличения нагрево-стойкости базовых материалов и паяльных масок печатных плат, новых технологий очистки плат после пайки, технологий ремонта и восстановления бессвинцовых паяных соединений.

Наиболее опасно повышение температуры пайки с позиции термомеханических напряжений, возникающих из-за разницы температурного расширения материалов, участвующих в межсоединениях (рис. 16). Если не принять меры к использованию материалов с повышенной температурой стеклования, термомеханические напряжения могут привести к усталостным разрушениям паек.

Нанесение паяльной пасты

Стандартное нанесение паяльных паст производится с помощью трафаретной печати. Альтернативой этому процессу является поточечное нанесение капель пасты диспенсером. Но из-за большой вязкости паяльных паст производительность диспенсера настолько низка (одна точка в секунду), что трафаретная печать используется в подавляющем большинстве случаев, даже на маломасштабных производствах.

Рис. 15. Типовая линия SMT
Рис. 16. Термомеханические напряжения в паяных соединениях BGA-компонентов

Станки трафаретной печати по принципу действия мало отличаются от аналогичных станков для полиграфических работ. Но сами трафаретные формы обязательно выполняются из металлических листов. К этому вынуждает большая вязкость паяльных паст и относительно большой размер частиц припоя, не проходящих через ячейки сит. Металлические трафареты изготавливаются лазерной гравировкой или фотохимическим травлением. Лазерное гравирование предпочтительнее, поскольку оно обеспечивает более ровные края перфораций. Установка и базирование групповой заготовки на рабочий стол станка производится по реперным знакам с помощью автоматического привода с использованием оптической системы распознавания. После установки и базирования заготовки на столе включается вакуумный прижим, способный выправить коробление платы. Станки трафаретного нанесения паяльной пасты снабжают системой очистки трафаретов, предотвращающей загрязнение поверхности платы паяльной пастой. Цикл печати на твердые подложки, как правило, укладывается в 10-30 с, реально — в 15 с.

Сложности возникают при необходимости монтажа на гибкие подложки. В этом случае приходится создавать технологическую оснастку, позволяющую зафиксировать гибкое основание на жесткой подложке. Пока это касается технологии стапелирования кристаллов (Stacked Chip), для России этот процесс еще неактуален. Но если монтаж компонентов осуществляется на гибкие платы или гибкую часть гибко-жестких плат, технологическая оснастка сопровождает изделие по всему циклу изготовления.

Нанесение клея (адгезивов)

Этот процесс неизбежен, если SMD-kom-поненты на нижней стороне платы паяются волной припоя. Без закрепления клеем SMD-компоненты будут смыты волной.

Наиболее широко используемые в клеевых композициях термореактивные смолы обычно отверждаются в присутствии кислых (ангидридов органических кислот), щелочных катализаторов или отвердителей при комнатной или повышенной температуре. Отверждение сопровождается усадочными явлениями (15-20%), создающими напряженное состояние в клеевом шве. Эпоксидные клеи обладают уникально низкой усадкой (порядка 3%), поэтому большая часть клеев использует эпоксидные композиции.

Цианоакрилатные клеи (циакрин), относящиеся к термопластам, также могут быть использованы в специальных случаях. Они образуют прочный клеевой шов при сдавливании в течение короткого времени (1-3 мин). Однако их нагревостойкость ограничена: уже при 60 °С прочность склеивания уменьшается в два раза.

Липкие ленты с двусторонним клеевым слоем применяются для крепления тяжелых компонентов или в качестве теплопроводя-щей прокладки для отвода тепла от теплона-груженных компонентов. После снятия защитных пленок компоненты прилипают к поверхностям при легком нажатии рукой. Но поскольку используемые в них эластомеры относятся к разряду термопластов, групповой нагрев здесь недопустим. Поэтому пайка таких приклеенных компонентов производится селективно, после групповой пайки.

Эпоксидные клеи нашли наиболее широкое применение для крепления компонентов при пайке волной припоя и групповой пайке тяжелых компонентов, не удерживающихся на монтажных поверхностях силами поверхностного натяжения расплавленного припоя. Они обеспечивают хорошую адгезию практически ко всем материалам, имеют хорошие электроизоляционные свойства, быстро отверждаются, выдерживают термоудары при пайке, влагостойки, в соответствующих эпоксидных композициях не создают разрушающих термомеханических напряжений. Стандартный состав однокомпонентных эпоксидных композиций содержит саму эпоксидную смолу, отвердители для горячего отверждения, пластификаторы для обеспечения нужной тиксотропности, наполнитель и краситель. Цвет красителя выбирают исходя из обеспечения хорошего контраста с цветом подложки. Хранение при низких температурах (+5 °С) позволяет продлить время жизни однокомпонентного эпоксидного адгезива до приемлемых значений.

Цвухкомпонентные клеи удобны для ремонтных работ, так как они способны от-верждаться при комнатных температурах. Однако однокомпонентные адгезивы обладают лучшими свойствами и широко используются в автоматических линиях. Отверждение однокомпонентных композиций начинается при 100 °С. На практике используют температурный режим 110-160 °С

В неотвержденном состоянии клеи интенсивно поглощают влагу. При отверждении они частично оставляют влагу в своем объеме, и при пайке происходит ее интенсивное освобождение, в результате чего клеевой шов получает вакансии, которые потом, при эксплуатации, могут наполняться атмосферной влагой. Поэтому в течение всего времени использования клеев необходимо предотвращать их возможное увлажнение.

В более чем 90% случаев клей наносят с помощью диспенсеров с использованием шприцов. Для увеличения производительности используют многоголовочные системы, подобные показанной на рис. 17. Такая система обеспечивает производительность до 50 тыс. точек в час, соизмеримую со скоростью установки компонентов. Однако интерес к трафаретному методу увеличивается, хотя еще не преодолены многие трудности, связанные с затвердеванием клея на трафарете и неустойчивостью форм клеевых капель.

Рис. 17. Многоголовочный диспенсер для нанесения клея

Установка компонентов

По существу, это ключевая операция, определяющая производительность линии. От технологии установки зависят разнообразие корпусов применяемых компонентов, точность установки и возможность перестройки под очередной заказ.

В процессе практических оценок различных технологий определились три принципа установки компонентов на основе использования:

    • одноголовочного манипулятора;
    • карусельных многоголовочных систем;
    • параллельно работающих нескольких одноголовочных манипуляторов или карусельных систем (параллельные системы).

    Одноголовочная позиционирующая система перемещает устанавливающую головку в ортогональной системе координат с использованием червячного или линейного привода. Она обеспечивает наибольшую гибкость и точность установки широкого ряда компонентов, но не может достичь уровня производительности карусельных и параллельных систем. Зато конструкции таких систем развиваются и совершенствуются для того, чтобы достичь возможности установки всех существующих компонентов, вплоть до QFP и BGA-компонентов. С точки зрения точности позиционирования эта система лучшая из трех упомянутых.

    Карусельная система с вращающимися установочными головками обеспечивает наибольшую скорость установки компонентов. Для быстрого захвата компонента кроме вращения карусели с головками вращаются и сами головки, чтобы для каждого из устанавливаемых компонентов использовался соответствующий ему захват, закрепленный на головке. Для позиционирования компонента плата перемещается в ортогональной системе с линейными или

    червячными приводами. Таким образом, приходится одновременно управлять позиционированием захватов и платы, в то время как карусель, не останавливаясь, вращается с постоянной скоростью, захватывая компоненты и затем «на проходе» устанавливая их на плату. Поскольку карусельная система движется без остановок, она обеспечивает наибольшую скорость установки компонентов.

    Для массового производства используют параллельные системы. Их принцип состоит в разбиении платы на несколько секций, каждая из которых индивидуально обслуживается отдельной системой. Принцип разбиения на секции может быть или по однородности компонентов, или по полю одинаковых плат в групповой заготовке, или по разбиению большой платы на отдельные зоны.

    Обычно для установки сложных компонентов используют одноголовочные системы, производительность которых находится в диапазоне от 5 до 20 тыс. компонентов в час. Карусельные системы обеспечивают производительность от 20 до 50 тыс. компонентов в час. Самые быстрые — параллельные системы, работающие со скоростью от 50 до 100 тыс. компонентов в час.

    Второй присутствующей в автоматах сборки функцией является видеосистема, управляющая точностью позиционирования. Именно с ее помощью точно устанавливается местоположение платы и позиционируется компонент на плате. Видеосистемы классифицируются по местоположению камер (снизу или сверху) и расположению источника освещения. Камеры, расположенные сверху (downward-looking cameras — вниз глядящие камеры) различают маркировки на плате и используют их для коррекции позиционирования компонентов. Такие камеры обычно располагают на головке захвата и установки компонентов. Камеры, распознающие снизу, используются для инспекции компонентов во время переноса последних от места захвата в питателе до установки на плату. Обычно нижняя камера устанавливается стационарно, а траектория перемещения компонента предусматривает его пролет над этой видеокамерой. Время распознавания вынужденно увеличивается по мере увеличения размеров и сложности компонентов. Для компенсации увеличивающегося времени распознавания питатели со сложными компонентами разносят на две стороны машины и устанавливают по две камеры с каждой стороны на пути пролета компонентов. Точность установки компонентов с использованием видеосистем достигает 0,05-0,1 мм. Такая точность достаточна даже для установки BGA-компонентов. Более точное позиционирование выводов компонентов относительно монтажных площадок на плате устанавливается при пайке за счет поверхностного натяжения припоя.

    Видеокамерные системы распознают изображение, анализируя его растр (развертку изображения). Лазерные системы позиционирования, в отличие от видеосистем, ис-

    пользуют растровую развертку луча и точечный детектор. Компонент (его очертания) распознается как тень, образующаяся при прерывании лазерного луча, а само изображение компонента отсутствует. По этой тени компонент позиционируют на плате. Лазерные системы высокопроизводительны, но отсутствие видеоизображения делает их низкоинтеллектуальными. По крайней мере, они не способны правильно сориентировать полярные компоненты и сложные корпуса с периферийными или матричными (BGA) выводами.

    Питатели адаптированы к разнообразным конструкциям упаковщиков компонентов, таким как фидеры, ленты, пеналы, тубы, матричные кассы, вибробункеры и т. д., в том числе заказные виды упаковок. Одноголовочные системы способны адаптироваться к любым конструкциям питателей. В противоположность этому, высокоскоростные параллельные системы, особенно карусельные, могут обеспечить свою производительность только с питателей из лент и вибробункеров. Мало того, для них устанавливают специальные приспособления, помогающие быстрому выдвижению компонентов в позицию, с которой их забирает пролетающий захват. Такое ограничение сказывается на выборе компонентов для конструирования плат массового спроса или побуждает вести сборку на линиях с разными типами сборочных систем. Так обычно собирают платы мобильных телефонов и материнские платы компьютеров, содержащих большое количество пассивных компонентов, сложные многовыводные микросхемы и компоненты с выводами, монтируемыми в отверстия.

    Примечательны технологические решения, позволяющие отказаться от пайки волной припоя. Для этого специальная паяльная паста при трафаретной печати продавливается в отверстия. Реологические свойства этой пасты таковы, что при установке выводов компонентов в отверстия она не выдавливается, а обволакивает вывод, и при последующем нагреве в печи, расплавляясь, образует качественную галтель припоя с заполнением отверстия. Однако не все компоненты со штыревыми выводами могут выдерживать нагрев в печи оплавления. К таким компонентам относятся электролитические конденсаторы, разъемы, некоторые типы интегральных схем. Поэтому полный отказ от пайки волной припоя пока не предвидится.

    Мало того, рынок электронных модулей не уменьшил, а даже увеличил объем продаж конструкций с пайкой выводов в отверстия. Фирмы, специализирующиеся на поставках оборудования для «дырочного» монтажа, интенсивно развиваются, предлагая новые модификации своих изделий. Наиболее успешно в этой области продвигается фирма Royonic, предлагая широкий ряд оборудования для установки «дырочных» компонентов, в том числе универсальные установки для формовки и подрезки выводов. Наиболее знамениты серии полуавтоматов с лазерными целеуказателями. Среди новинок фирмы — портативный цеховой склад с высокоскоростной системой поиска и выгрузки ленточных кассет с компонентами. На стеллаже умещаются 550 кассет с возможностью найти и получить то, что нужно, в течение 5 с.

    Пайка

    Пайка оплавлением в технологиях поверхностного монтажа существует уже два десятка лет. Фундаментально она за это время не изменилась. Изменились только корпуса компонентов и материалы пайки. Появилась серия печей с конвекционным нагревом. Такие печи обеспечивают более эффективные температурные режимы пайки. Пайка оплавлением, конденсационная пайка, локальная лазерная пайка и ручные виды паек с различными способами нагрева останутся превалирующими в будущих технологиях монтажа.

    Термовременные профили оплавления обычно рекомендуются поставщиками паяльных паст. Минимальную температуру выбирают исходя из температуры плавления эвтектического припоя, так чтобы произошло полное смачивание спаиваемых поверхностей для образования правильной паяной галтели. При этом приходится учитывать размер сферических частиц припоя и характер флюса в паяльной пасте, активность спаиваемых поверхностей, теплоемкость компонентов, глубину пропая. Для эвтектического припоя Sn63/Pb37 минимальная температура плавления Т1 составляет 200-225 °С Для других сплавов минимальная температура Т[ приблизительно на 15-20 °С выше температуры ликвидуса.

    Верхнее ограничение температуры пайки Т2 определяется максимально возможной температурой кратковременного нагрева компонентов, специально устанавливаемой в их сертификатах, если это ограничение оправдано низкой устойчивостью компонентов к режимам пайки. С учетом метрологической погрешности верхний предел нагрева устанавливают на 5 °С меньше значения температуры, принятой для самого «нежного» компонента. Если наличие таких компонентов не дает возможности установить нормальный температурный диапазон пайки, эти компоненты устанавливают и паяют вручную или локально лазером.

    Превышение температуры Т2 и времени пребывания в зоне плавления не только опасно для «нежных» компонентов, но и чревато возможностью интенсивного образования интерметаллоидов, термодеструкции материалов плат и компонентов, снижающих надежность электронных изделий.

    Очевидно, что температурный градиент, устанавливающийся в печи, должен укладываться в диапазон (Т2-Т[). Чтобы не выйти из этих пределов, в печи создают несколько последовательных зон, так чтобы скорость нагрева-охлаждения при движении конвейера не превышала 4 °С в секунду. На рис. 18 показан типичный температурный профиль при пайке оплавлением. В первой зоне предварительного нагрева плата нагревается до 100 °С. Во второй зоне, непосредственно перед зоной плавления, нагрев достигает уровня 150-170 °С (для Sn63/Pb37). Зону оплавления изделие проходит за 20-30 с так, чтобы температура его нагрева в экстремуме уложилась в диапазон (Т21). Скорость охлаждения также должна быть регламентирована.

    Рис. 18. Термопрофиль

    Для измерения температурного профиля обычно используют термостатированный блок термопар, где холодные спаи находятся в термостате (обычно используется лед), а горячие — в точках измерения. Блок снабжен встроенным устройством записи температуры. Большая часть таких приборов питается автономно от аккумуляторов. Термопары подсоединяют к «легким» и «тяжелым» компонентам, на краях платы и вблизи центра. Таким образом, удается получить максимально достоверные результаты измерений.

    При пайке компонентов на нижней стороне платы трудно рассчитывать, что тяжелые компоненты удержатся за счет поверхностного натяжения припоя. Для определения необходимости их приклейки обычно руководствуются упрощенной оценкой: отношение массы компонента в граммах к суммарной монтажной площади компонента в квадратных дюймах не должна превышать 30.

    Пайка в атмосфере азота стала обычным явлением в производствах, где желают достичь высокого уровня надежности. Использование нейтральной среды обусловлено недостаточной активностью флюсов при растворении окислов в течение всего цикла пайки, термоокислительной деструкцией материалов электроизоляционных элементов конструкций электронных модулей. Пайка в атмосфере азота оставляет гораздо меньше дефектов и в меньшей степени травмирует материалы. А если говорить об использовании дешевых финишных покрытий печатных плат на основе органических ингибиторов (OSP — organic solderability preservatives), то повторная пайка, которая бывает нужна для второй стороны платы, особенно нуждается в нейтральной среде для предотвращения термодеструкции OSP и окисления поверхности монтажных площадок. Раньше использование азота требовало организации станции непрерывного газоснабжения. Теперь альтернативой им явились газогенераторы, вырабатывающие необходимые для печи оплавления объемы азота [22].

    Независимо от высокого уровня автоматизации сборочно-монтажных работ по-прежнему остаются актуальными ручные паяльные и ремонтные станции фирм Расе, Weller (Cooper Tools), ERSA. К этому ряду прибавились фирмы КоЫег и MARTIN. Безусловно, ремонтные и наладочные работы должны быть снабжены всеми видами инструментов для демонтажа, снятия лака, напайки перемычек, очистки, подлакировки и т. д.

    Инвестирование производства

    Создание современного производства требует значительных инвестиций: от 100 тыс. до миллионов долларов. Собственных средств для таких вложений у предприятий нет, долгосрочные кредиты недоступны, привлечение средств с фондового рынка за счет продажи акций мало вероятно. В таких условиях предприятия вынуждены искать инвесторов, готовых принять бизнес-планы развития производства и финансировать их реализацию. Любопытно, что посредниками по привлечению инвестиций в развитие производства успешно выступают фирмы, поставляющие соответствующее оборудование. Наиболее продвинутые фирмы-поставщики имеют в своем составе технологические подразделения, способные профессионально оценить реальное техническое состояние предприятий и на основе этих оценок разработать технические проекты создания новых и реконструкции существующих производств. Используя экспресс-методы расчета экономических показателей создаваемых производств, они владеют полной информацией для подготовки пакета документа, необходимого для переговоров с инвесторами. С другой стороны, будучи частными предприятиями, ориентированными на рыночные условия, такие фирмы — поставщики оборудования давно установили тесные отношения с частным капиталом и успели завоевать его доверие.

    Сегодня в России сложилась противоречивая ситуация, при которой есть спрос капитала и есть предложение капитала, но нет эффективного рынка, где они могут встретиться. Разрешить эту ситуацию могут профессиональные фирмы, вызывающие доверие обеих сторон [1].

    Заключение

    Постоянное обновление элементной базы требует соответствующей модернизации существующих технологий и оборудования производства печатных плат. Для России после 90-х годов стала неизбежной интеграция с западным рынком и его довлеющее влияние на отечественное производство. Это привело к необходимости активного заимствования технических решений, состоявшихся в международной кооперации электронной продукции.

    Наблюдается возросший интерес инвесторов к вложению капиталов в производство и дефицит реальных инвестиционных проектов. Появились российские фирмы, удовлетворяющие интересы обеих сторон.

    Сложившаяся конъюнктура рынка капитала является уникальной в новейшей истории России и представляет реальный шанс для экономического возрождения отечественного производства электроники.

    Литература

    1. Локшин Ю., Медведев А.. Производство электронных модулей в России // Электронные компоненты. 2002. № 5.
    2. Custer Walter. Custer Consulting, USA, EPC2004 Cologne. Exhibition and Conference.
    3. Printed Circuit HandBook. Combs. 5th Edition.
    4. Медведев А. Монтаж компонентов. Куда движется технология // Электронные компоненты. 2002. № 7.
    5. Dr. Meier Dieter J. PCB Laser Technology for Rigid and Flex HDI — Via Formation, Structuring, Routing. LPKF // Laser. Garbsen, Germany, www.ipcprintedcircuitexpo.org
    6. Трубкина В. Выбор технологических методов в производстве печатных плат // Компоненты и технологии. 2002. № 2.
    7. Петров М. Лазерная обработка материалов в электронике // Компоненты и технологии. 2002. № 8.
    8. Медведев А., Однодворцев М., Семенов П.. Модернизация производства печатных плат // Электронные компоненты. 2003. № 9.
    9. Ласкин А. Технология Laser Graver — шаблоны печатных плат за один технологический этап // Компоненты и технологии. 2003. № 1.
    10. http://www.estek.ru
    11. http://www.eastspacelight.com
    12. http://www.bungard.de
    13. http://www.ots-kr.com
    14. http://www.printprocess.com
    15. http://www.new-system.com
    16. Медведев A. Productronica 2001. Первые впечатления // Компоненты и технологии. 2001. № 8. 2003.
    17. Семенов П. Снайпер или автомат? Прецизионные системы совмещения в производстве многослойных печатных плат // Компоненты и технологии. 2002. № 3.
    18. Медведев А., Салтыкова В., Lundquest Jorgan. Печатные платы. Системы прямой металлизации // Компоненты и технологии. 2003. № 4.
    19. Росинкин С. Опыт внедрения технологии прямой металлизации при мелкосерийном производстве печатных плат // Электронные компоненты. 2003. № 8.
    20. Степанов В. Прямая металлизация: да или нет? // Компоненты и технологии. 2002. №5.
    21. Медведев А. Бессвинцовые технологии монтажной пайки. Что нас ожидает? // Электронные компоненты. 2204. № 11.
    22. www.estek.ruГенераторы азота.
    23. Toleno Brian J. Alternative Surface Finishes: Failure Modes of Electroless Nickel/Immersion Gold. ACI, USA.
    24. Frando van der Pas. Future Surface Finishing needs with OSP / Printed Circuits Europe, Nov-Dec. 1999.
    25. Frando van der Pas. Final Finishes / Coockson Electronics, 5th European Surface Mount Conference, Brighton, 2002.

     
    ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

    Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
    Хорошо
    Нормально
    Плохо

    Окна в рассрочку без услуг банка - окна пвх цена. Остекление коттеджей.