2020-06-29
812Принцип работы установщиков един для всех. Компонент забирается при помощи вакуумного захвата и устанавливается на печатную плату в соответствии с программой. Конструктивная реализация этого действия может значительно отличаться, что обусловлено различным сценарием использования. Основным параметром, по которому классифицируют установщик – это его быстродействие. Требования к быстродействию диктуются характером производства.
В зависимости от производительности выделяют 2 основных типа установщиков:
· Автоматы, полуавтоматы;
· Револьверные системы – это наиболее быстрый тип установщиков. Высокая скорость преобладает над точностью установки и гибкостью наладки. Плата располагается неподвижно, перемещаются питатели и револьверная головка. Производительность достигает 60000 компонентов/час. Эти системы ориентированы на компоненты, поставляемые в ленте и используются для крупносерийных производств с малой номенклатурой.
· Портальные системы – неподвижное расположение платы и питателей. Перемещается установочная головка. Производительность 30000 компонентов/час. Основным параметром является точность установки (0,05 мм). В отличие от револьверных систем эти системы работают с широким диапазоном компонентов. Портальные системы целесообразно использовать при создании широко номенклатурных производств.
|
|
|
· Ручные установщики.
· Вакуумные пинцеты (300 компонентов/час)
В автоматах этих типов используется концепция сдвоенного блока. Некоторые автоматы содержат до 18 установочных головок. В револьверных системах осуществляется контроль и центрирование компонентов при каждом повороте головки. Для портальных систем характерно использование видеокамер высокого разрешения для каждой установочной головки (используются лазерные системы позиционирования или камеры нижнего просмотра).
Назначение питателей в автоматических установщиках – это подача компонентов в зону захвата установочной головки.
Питатели могут быть:
· Ленточные (наиболее часто используемые);
· Пенальные;
· Матричные;
· Кассетные.
Установка компонентов осуществляется, как правило, по программе на автоматах установки из стандартных упаковок, в которых компоненты поставляются заводом-изготовителем, но при единичном и мелкосерийном производстве может применяться ручная установка с помощью вакуумного пинцета или манипулятора, а также автоматизированная установка на полуавтомате (манипуляторе с указателем места установки компонента по программе).
Производительность при ручной установке может составлять несколько сотен компонентов в час в зависимости от квалификации сборщика и сложности платы. При полуавтоматической установке производительность лежит в пределах примерно 400-700 компонентов в час.
|
|
|
В современном оборудовании захват компонентов осуществляется вакуумной головкой. Для захвата тяжелых компонентов применяются специальные насадки.
Можно выделить три группы компонентов по сложности установки:
· обычные компоненты (ЧИП-компоненты в корпусах до 0402 включительно, микросхемы с шагом выводов до 0,8 мм и т.п.);
· компоненты с мелким шагом, также называемые Fine-Pitch-компоненты, шаг выводов которых менее 0,8 мм, а также ЧИП-компоненты в корпусах 0201 и менее;
· микросхемы с матричным расположением выводов (BGA, μ-BGA и др.)
Точность установки компонентов первой группы и мелких ЧИП-компонентов на паяльную пасту должна обеспечивать попадание вывода или контактной поверхности компонента своей большей частью (порядка 80%) на контактную площадку и отсутствие попадания на соседнюю площадку. Высокой точности установки не требуется, поскольку при оплавлении силы поверхностного натяжения пасты центрируют компонент. Установка компонентов второй группы без применения автомата весьма сложна, а компонентов третьей группы в производственных условиях практически невозможна. При автоматической установке компоненты второй и третьей группы требуют высокоточных автоматов, которые для установки обычных компонентов в серийном производстве, как правило, не применяются из-за снижения производительности. Поэтому при наличии на плате компонентов различных групп установка производится, как минимум, в два этапа: сначала на высокопроизводительном оборудовании устанавливаются обычные компоненты, поскольку они менее чувствительны к возможному смещению при дальнейших операциях, а затем на высокоточном оборудовании – Fine-Pitch и прочие компоненты. В мелкосерийном и единичном производстве для установки компонентов с мелким шагом и матричным расположением выводов применяются специальные прецизионные установки с оптической системой совмещения.
Существует 3 основных брака установки компонентов:
· Разрушение компонента (при неточной регулировке высоты захвата) – может быть невиден до конца установки;
· Неправильное расположение;
· Изгиб вывода компонента (неверная настройка оборудования).
Общие дефекты СМД монтажа:
1. Непропай. Недостаточная температура оплавления припойной пасты.
2. Трещины и расслоения корпусов. Неверно сформирован термопрофиль работы печи: на этапе оплавления происходит резкий скачок температуры.
3. Излом корпуса. Подобные повреждения имеют механическую природу и происходят на этапе установки компонентов на печатную плату с помощью автоматических систем размещения
4. Излом контакта. Полное или частичное повреждение паяного соединения возможно при изгибах печатной платы после пайки.
5. Эффект опрокидывания(надгробного камня). Причины данного дефекта могут скрываться во всех этапах технологического процесса сборки плат. Кроме того, возможно неверное проектирование печатной платы. Более подробно данный дефект рассмотрен ниже.
6. Плохая смачиваемость компонента
7. «Открытые» выводы
8. Припойный бисер. Припойный бисер — это шарики припойной пасты разбрызгавшиеся по поверхности печатной платы во время пайки.
9. Утолщение контактов. Дефект возникает из/за плохой смачиваемости контактных площадок печатной платы.
10. Растекание припоя
Пайка оплавлением
Процесс оплавления припоя, содержащегося в паяльной пасте, выполняется в печах путем нагрева печатной платы с компонентами. Нагрев может осуществляться различными способами:
- инфракрасный (ИК),
- конвекционный нагрев
- нагрев в паровой фазе
|
|
|
- лазерная пайка
Наиболее широкое распространение получил конвекционный нагрев.
ИК-нагрев осуществляется ИК лампами. Основным недостатком ИК-метода является зависимость температуры от степени теплоты нагреваемой поверхности, в результате чего корпуса компонентов часто нагреваются до бόльших температур, чем паста. Из-за неравномерности нагрева данный метод в настоящее время самостоятельно практически не применяется. В некотором оборудовании ИК-метод используется в комбинации с конвекцией.
Конструкция типичной установки ИК оплавления приведена на рисунке 4.1. Установка состоит из корпуса 1, внутри которого расположено несколько зон нагрева, в каждой из которых поддерживается заданный тепловой режим. В первой и второй зонах производят постепенный предварительный нагрев изделия 2 с помощью плоских нагревателей 3. Пайку производят в третьей зоне быстрым нагревом объекта выше температуры плавления припоя с помощью кварцевых ИК ламп 4, затем объект охлаждают с помощью устройства 5.
Рисунок 4.1 – Схема установки пайки ИК-излучением.
Печатные платы транспортируются через установку на ленточном (обычно сетка из нержавеющей стали) конвейере 6. Режимы работы нагревателя и скорость конвеера регулируются с помощью микропроцессорной системы 7, температурный профиль вдоль установки отображается в графической и цифровой форме на экране дисплея 8. Характеристики температурного профиля, т. е. значения температур в каждой зоне, возможно изменять в широких пределах, также возможно иметь библиотеку типовых режимов оплавления для печатных плат различных типоразмеров.
· Конвекционная пайка осуществляется с помощью потоков горячего воздуха или азота. Печи, предназначенные для серийного производства, позволяют получить достаточно равномерный нагрев. Возможность применения азота позволяет получать более качественные паяные соединения.
Пайка в паровой фазе осуществляется путем передачи тепла от испаренного теплоносителя. Данный метод является самым безопасным для изделия, но и самым дорогим.
|
|
|
Метод пайки в парогазовой фазе является разновидностью пайки расплавлением дозированного припоя, в ходе которой пары специальной жидкости конденсируются на коммутационной плате, отдавая скрытую теплоту парообразования открытым участкам микросборки. При этом припойная паста расплавляется и образует галтель между выводом компонента и контактной площадкой платы. Когда температура платы достигает температуры жидкости, процесс конденсации прекращается, тем самым заканчивается и нагрев пасты. Повышение температуры платы, от ее начальной температуры (например, окружающей среды перед пайкой) до температуры расплавления припоя, осуществляется очень быстро и не поддается регулированию. Поэтому необходим предварительный подогрев платы с компонентами для уменьшения термических напряжении в компонентах и местах их контактов с платой. Температура расплавления припоя также не регулируется и равна температуре кипения используемой при пайке жидкости. Такой жидкостью является инертный фторуглерод, например РС-70 производства фирмы ЗМ.
Рисунок 4.2 – Схематическое представление пайки ПГФ с двумя технологическими средами.
Существуют два типа установок для пайки в парогазовой фазе: с применением одной либо двух рабочих жидкостей. В первых установках для пайки в ПГФ применялись две рабочих жидкости (рисунок 4.2), при этом использовались обычно несколько установок пайки в составе производственной линии. С целью предотвращения утечки паров дорогого фторуглерода и припоя поверх основной технологической среды из инертного фторуглерода создавалась дополнительная технологическая среда из более дешевого фреона. Основной недостаток этих установок состоял в том, что на границе двух технологических сред происходило образование различных кислот. Поэтому для защиты коммутационных плат (защита коммутационных плат необходима в первую очередь от разрушающего действия кислот на материал коммутации (химическая, а затем электрохимическая коррозия). Кроме того, рабочая часть контейнера установки пайки в ПГФ должна изготовляться из коррозионностойкого материала, что отражается на стоимости такого оборудования) требовались системы нейтрализации кислот.
Установки для пайки с двумя рабочими жидкостями оказались непригодны для линий сборки электронной аппаратуры. Поэтому в 1981 г. фирмой НТС стали выпускаться установки для пайки в ПГФ, встраиваемые в технологические сборочно-монтажные линии. Такие установки имеют относительно небольшие входное и выходное отверстия, позволяющие реализовать систему с одной технологической средой (рис. 2). Приведенная на рисунке 4.3 конструкция обеспечивает возможность включения установки в состав технологической линии.
Рисунок 4.3 – Схематическое представление пайки в ПГФ с использованием одной технологической среды.
При использовании установки для пайки в ПГФ таких компонентов, как чип-конденсаторы и чип-резисторы, может возникнуть проблема, известная как "эффект опрокидывания компонента". Причина опрокидывания компонентов до конца не изучена, и универсальных средств для избежания этого в настоящее время не существует. Необходимо варьировать параметры процесса пайки до тех пор, пока не прекратится опрокидывание компонентов.
Лазерная пайка
Лазерная пайка (пайка лучом лазера) не относится к групповым методом пайки, поскольку монтаж ведется по каждому отдельному выводу либо по ряду выводов. Однако бесконтактность приложения тепловой энергии позволяет повысить скорость монтажа до 10 соединений в секунду и приблизиться по производительности к пайке в паровой фазе и ИК излучением
По сравнению с другими методами лазерная пайка обладает рядом следующих преимуществ. Во время пайки печатная плата и корпуса элементов практически не нагреваются, что позволяет монтировать элементы, чувствительные к тепловым воздействиям. В связи с низкой температурой пайки и ограниченной областью приложения тепла резко снижаются температурные механические напряжения между выводом и корпусом. Выбор материала основания не является критическим. Кратковременные действия тепла - 20...30 мс, резко снижаются толщина слоя интерметаллидов, припой имеет мелкозернистую структуру, что положительно сказывается на надежности ПС. Установки лазерной пайки могут быть полностью автоматизированы, при этом возможно использовать данные САПР для печатных плат.
Возможна пайка плат с высокой плотностью компоновки элементов, с размерами контактных площадок до 25 мкм, без образования перемычек на соседние соединения или их повреждения.
При использовании хорошо просушенной паяльной пасты выполненные с помощью лазерной пайки ПС не образуют шариков припоя или перемычек, в результате чего отпадает необходимость применять паяльные маски.
При использовании лазерной пайки нет необходимости в предварительном подогреве многослойной печатной платы, что обычно необходимо делать при пайке в паровой фазе для предотвращения расслоения платы. Не требуется также создавать какую-либо специальную газовую среду. Процесс пайки ведется в нормальной атмосфере без применения инертных газов.
После операции пайки, в зависимости от типа применяемой пасты, плата может подвергаться отмывке и сушке.
Контрольные вопросы:
1. Назовите 2 основных типа установщиков компонентов
2. Назначение питателей в автоматических установщиках
3. Назовите 3 основных брака установки компонентов
4.Основные способы пайки оплавлением
5. Как выполняется лазерная пайка?
