Текст
                    ·t
~1
1
J
Ч.- Г. Мэнгин, с. Макклелланд ~
ТЕХНОЛОГИЯ
ПОВЕРХНОСТНОГО ..
МОНТАЖА
·Будущее технологии сборки
в электронике
ПЕРЕВОД С АНГЛИЙСКОГО
канд. техн. наук А. В. Заводян
и В. А. Королькевича
ПОД РЕДАКЦИЕЙ
д-ра техн. наук, проф. Л. А. Коледова
Москва ссМир» 1990


·t ~1 1 J Ч.- Г. Мэнгин, с. Макклелланд ~ ТЕХНОЛОГИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО .. МОНТАЖА ·Будущее технологии сборки в электронике ПЕРЕВОД С АНГЛИЙСКОГО канд. техн. наук А. В. Заводян и В. А. Королькевича ПОД РЕДАКЦИЕЙ д-ра техн. наук, проф. Л. А. Коледова Москва ссМир» 1990
Мэнгин Ч.-Г., Макклелланд С. .М50 Технология поверхностного монтажа: Пер. с англ. - М.: Мир, 1990. - 276 с., ил. ISBN 5-03-001485-3 I<нига а/dернканского и авrпиllского специалистов посвящена• технопогнн /dОН­ тажа эпектровных компонентов непосредственно на поверхность схемных мат. Анапизируются вопросы, связанные со стандартизацией компонентов н корпусов ИС дnя поверхностного монтажа, автоматизацией техвопогнческllх процессов и выбором технопогнческих /dатериапов. Рассматриваются особенности эпементноil базы дпя поверхностного монтажа, коммутационных ппат, монтажного обору.11.0· вання н нспытатепьных средств. Дnя конструк-rоров н технологов, спецнапизнрующвхся в обпаств производства радноэпектронноll аппаратуры, вычиспнтедьноll и контропьно-нзмернтепьноll техии· кн, а также студентов вузов и техиикуldов соответствующих спецнапьвостеl!. м 2304040000-300 ------ 125-90 041(01)-90 ББК 32.844 Редакция литературы по электронике ISBN 5-03-001485-3 (русск.) ISBN 0-948507-40-3 (англ.) ISBN 3-540-17430-3 (англ.) ISBN 0-387-17430-3 (англ.) © 1987 IFS (PuЫications) Ltd and Springer-Verlag • © перевод на русский язык, Заводяи А. В., I<оролькевич В. А., 1990 г.
t' 1. (1 l 1 J Предисловие редактора перевода Промышл развитые страны, прежде ,всего США и Япо- ния, благода координированным усилиям ученых, предприни- мателей и прав ьс.твенных органов лидируют в освоении тех- ники поверхностного монтажа компонентов при массовом вы­ пуске электронной аппаратуры. Стремит,ельное развитие техни,ки поверхностного монтажа компонентов объясняется прежде всего экономическими соображениями, так как позволяет в процессе конструирования электронной аппаратуры уменьшить га1бариты, снизить расход материалов и энер.гии, объем и массу корпусо~ и стоек, в которых должны размещаться электронные системы и, следовательно, уменьшить площадь сооружений. Используя тех­ нику Поверхностного монтажа, можно соз'Давать более быстро­ действующие, помехоустойчивые и надежные радиоэлектронные и электронно-вычислительные средства. Эти обстоятельства, а также сложность проблем, связанных с освоением техники по­ верхностного монтажа, побуждают фирмы и· государственные органы проводить различные организа.ционно-технические меро­ приятия для пропаганды и передачи опыта в освоении новой тех­ нологии. К числу таких мероприятий относится создание инфор­ мационных служб, издающих справочники, руководс'Г'Ва, а так­ же периодическую литературу по технике поверхностного мон­ тажа компонентов. Подо'бного в наше~ стране на сегодняшний день нет, как нет и широкомасштабного производства аппарату­ ры с использованием техники поверхностного монтажа. Однако внедрять ее, несомненно, предстоит, поскольку это объективный процесс, магистральный путь развития технологии производства электронной аппаратуры в эпоху микроэлектроники. Данная книга является первой в нашей стране монографией по проблемам техники поверхностного монтажа компонентов и, пожалуй, первой всесторонне охватывающей эти проблемы пуб­ ликацией, если не считать обширного обзора в No 3 и 4 :журнала «Зарубежная электронная техника» за 1988 г. Отставание нашей стрiшы в применении те~ники поверхност­ ного монтажа в массовом производстве электронной аппаратуры вовсе не говорит об отставании в научной проработке этого на­ правления. Достаточно сослать\:.я на научные w:колы д-ра техн. наук, проф. Блинова Г. А" академика АН БССР Лабунова В. А. и других советских ученых, раэра'батывающие одни из самых технологически сложных вариантов перспективных конструкций функционально насыщенных электронных устройств.
6 Преднсnовне редактора перевода Почему именно эта книга выбрана для перевода и публикации в СССР? Прежде всего потому, что ее авторы - специалисты- ··1 ·. практики в области освоения, ннедренnя и пропаганды передо- вых технологий сборки электронной аппаратуры. Они располагают подробнейшей информацией о состоянии дел в области освоения техники поверхностного монтажа в раз­ личных регионах мира и уровне используемого для этих целей оборудования. Авторы книги прекрасно ориентируются как в уз­ ловых вопросах техники поверхностного монтажа, так и . в «мело­ чах», без знания которых освоение новой технологии может з.а­ тянуться на многие годы. При написании ·книги они пользовались своими обширными связями со специалистами из разл'ичных фирм США, получали от н1их и вно.сили в книгу большое коли­ ч.ество инфор·мативных примеров по практике внедрения техни­ ки по•верХ1ностного монтажа. Особенно ценна для отечественных специалистов информация о выпуске оборудования для поверхностного монтажа в различ­ ных странах. П12_иведены перечень фирм, занимающихся выпус­ ком такого оборудования, технические характеристики техноло- гических установок и усrройств, а также цены на оборудование. · 1 ···. Предлагаемая книга предназначена прежде всего для инже- нерно-технических работников и организаторов производства с применением техники поверхностного монтажа на предприятиях и в объединениях, создающих электронно-вычислительную тех­ нику и радиоэлектронные устройства, а также тем, кто органи- зует совместные с иностранными фирмами предприятия указан- ного профиля. Без этой книги не обойтись и при подготовке и переподготовке кадров инженер,ов-технологов и инженеров-кон- . структоров радиоэлектронных и электронно-вычислительных ·~ средств. ~ Л. А. Коледов
rr ~ Предисловие (\; ' / Через двадцать лет после своего появления техника поверх­ ностного монтажа компонентов (ТПМК) выходит на мировую арену как наиболее перспективное средство повышения произво­ дительности труда при изготовлении схемных плат и улучшения их функциональных характеристик. В 1983 г. фирме CEERIS ln- ternational впервые удалось оценить объем использования ком­ понентов, конструкция которых специально приспособлена для ТПМК: тогда их доля составляла более 1% общих поставок ком­ понентов на североамериканский рынок. В 1986 'г. на долю по­ верхностного монтажа пришлось уже 12% всего объема сборки электронных устройств. Это удивительно быстрое проникновение на рынок не без основания привлекло к себе внимание потреби­ телей. Настоящая книга дает полное представление о состоянии ТПМК и ее влиянии на конструкции компонентов, коммутацион­ ных плат и процессы оборки электронной аппаратуры. Материал книги основан на опыте консультантов из фирмы CEERIS Inter- national в повышении эффективности операций сборки современ­ ных электронных устройств и применении передовых методов управления и технологий, таких, как поверхностный монтаж. Практические рекомендации, которым придается особое- значе­ ние, подкреплены результатами исследований и конкретными примерами. Вклад ведущих специалистов - основателей этого нового направления электронной техники,- играет существенную роль в распространении знаний, необход_имых на нынешней, на­ чальной стадии проникновения технологии поверхностного мон­ тажа в электронику. Компания IFS (PuЬlications) Ltd привнесла в материал дан­ ной книги свой уникальный опыт в области оценки технических достижений и анализа современного состояния ТПМК. Издатели редко обладают широким техническим кругозором, обычно .ожи­ даемым от автора, но IFS оказалась для CEERIS той поддержи­ вающей силой, которая позволила успешно завершить настоя­ щую книгу. Хочется надеяться, что полезность книги оправдает затраченные на ее создание усилия. Чарлз-Генри Мэнгин.
Благодарности Авторы выражают искреннюю благодарность всем, чье непо­ средственное или косвенное участие способствовало появлению этой книги. Особенно мы признательны следующим специалистам (в Европе): Р. Лондону (Rank Xerox Ltd), /\. Вудворду (Cam- bridge Consultants Ltd), К. Гарднеру (Signal Processors Ltd), Д. Блэкуэллу (PRCS Ltd), Б. Н. Эллису (Protonique SA), А. К. Казенсу и Дж. С. Уиттэкеру (Newmarket Microsystems Ltd), В. Шмидту (Contraves AG), Т. Прусу (Flint Distribution Ltd_), а также персоналу Центра техники и технологии поверхностного монтажа фирмы Texas Instruments в Великоб.ритании. Мы весьма бл,агодарны руководящим работникам министер­ ства торговли и промышленности Великобритании и Институту инж.енерав по электротехнике, которые дали разрешение на ис­ пользование публикаций, подготовленных в ходе . выполнения Программы сотруднигчества фирм-изготовителей с фирмами-по­ требителями в рамках Инициативы по освоению передовой тех­ нологии в электронике. За оказанную помощь мы признательны специалистам США Дж. М. Альтендорфу (Hewlett-Packard, Corvallis), Р. Роуленду (1-0mega Corp.) и Дж. Мискелу (Texas Instruments), которые предоставили нам материалы по результатам исследований, со­ держащие ценную информацию. · Авторы глубоко признательны за участие и квалифицирован­ ное содействие в качестве издательского редактора Майку Инне- · су из IFS (PuЫications) Ltd, Шиле Бенсон, которая тщательно воспроизвела графические иллюстрации, и Дебре Роджеро из CEERIS. Наконец, написание книги оказалось бы невозможным без поддержки и терпения наших жен, Маргарет Мэнгин и Сандры Мэри Макклелланд. Обе они, безусловно, заслуживают того, чтобы эта книга была посвящена им. Чарлз-Генри Мэнгин Стивен Макклелланд
• r Об авторах Чарлз-Генри Мэнrин, написавший большую часть данной книги, является президентом CEERIS lnternatioпal Inc.- к он­ сультационной фирмы, специализирующейся на сборке электрон­ ной аппаратуры. За многие годы CEERIS накопила подробную информацию об общемировом состоянии техники сборки в пла­ не как монтажно-сборочных операций, так и используемого обо­ рудования. Консультанты из фирмы CEERIS принимали участие в ряде контрольных ·испытаний линий сборки электронной аппа­ ратуры с целью садействия павышению производительности, сни­ жени!? затрат, увеличению выхода годных и внедрению автома­ тизированных систем в сочетании с комплексным управлением. Специалисты фирмы CEERIS принимали также участие в под­ готовке технических заданий на системы сборки, а также в их разра~ботке. Эти системы включают сборочные автоматы, робо­ тизированные участки и автоматизированные подсистемы транс­ портирощш материалов. Опыт в области поверхностного монтажа фирма CEERIS In- ternational приобретала непосредственно в заводских условиях; он поможет специалистам по передовой технологии избежать ошибок и приумножить достоинства техники поверхностного мон­ тажа, которая находится в стадии становления. Стивен Макклелланд, соавтор книги, читает курс конструи­ рования и технологИ:и в Кембриджском университете. Прорабо­ тав некоторое время в качестве инженера-разработчика в элек­ тронной промышленности Великобритании, а затем инженером­ исследователем, он занялся изучением свойств кремниевых полу­ проводниковых. приборов в Токийском университете. В 1986 г. С. Макклелланд был принят на работу в IFS (PuЬlications) Ltd в качестве руководителя специальных проектов. Им написано множество статей, помещенных в газетах и журналах, включая «Economist». В 1982 г. ему была присуждена стипендия Джона Лоджи Берда Королевского телевизионного общества Велико­ британии, а позднее в том же году и стипендия Атлантического фонда. В настоящее время С. Макклелланд является инженером- . консультантом, сотрудником Института инженеров по электро­ технике- и квалифицированным переводчиком технической лите­ ратуры с японского языка.
Глава 1 ВВЕДЕНИЕ В ТЕХНОЛОГИЮ ПОВЕРХНОСТНОГО МОНТ дЖд: КЛЮЧЕВЫЕ ПРОБЛЕМЫ Технология поверхностного монтажа компонентов по сравнению с сущест­ вующей технологией обладает важнейшим критерием прогрес с ивности: обеспе­ чивает миниатюризацию аппаратуры при одновременном росте ее функциональ:__ ной сложности. Это отвечает требованиям рынка электронных изделий и осо­ бенно требованиям рынка вычислительной техники. По этой причине технология поверхностного монтажа компонентов (ТПМК:) будет внедряться в технологию производства новых изделий с такой быстротой, как этого тре­ бует рынок, и, с другой стороны, как это позволяют темпы освоения методов поверхностного монтажа. Процесс поверхностного монтажа охватывает позиционирование и уста­ новку компонентов, пайку, контроль, испытание и ремонт. Современное состоя­ ние о с воения каждого из этих этапов и их совокупности все еще не п озв оляет получать высокий выход годных изделий при низких затратах, ож ида е:,1ых от применения ТПМК:. Кроме то го, для успешного внедрения ТПМК: в произ­ водство современной микро эле ктронной аппаратуры необходима у вязка вопро­ сов технологичности на этапах конструкторского проектирования из делий. Требование к миниатюризации эЛектронных изделий, посколь­ ку эти изделия устанавливаются в помещениях, имеет прямую связь со стоимостью зданий, точнее стоимостью квадратного фута (О,9 м 2 ) площади, независимо от того, является ли это здание частным домом или учреждением. Нет оснований пол а гать, что стоимость недвижимого имущества снизится, если только какая­ либо всемирная депрессия, напоминающая депрессию 1929 г" не деформирует все экономические ценности (включая и электро­ нику!). Как следует из прогно з ов, в перспективе на каждом квадратном футе в среднем будет размещаться все большее и большее число электронных изделий: малогабаритных ком пью-_ теров, телефонных аппаратов, фотокопировальных машин, про­ игрывателей компакт-дисков и т. д. И в этой ситуации едва ли сущес11вует другая альтернатива, чем использование самых, на­ сколько это возможно, миниатюрных компонентов для производ­ ства всех этих изделий. Предполагается, что благодаря своим ' малым ·размерам компоненты для поверхностного монтажа най­ дут самое широкое применение. Это и будет мощным стимулом развития ТПМК, которую не сможет более игнорировать ни один производитель электронных изделий. Техника поверхностного монтажа спосоrбствовала появлению множества новых портативных потребительских изделий: нидео­ камеры высокого разрешения, переносные телефоны, калькуля­ торы, малогабаритные компьютеры и т. д. ·
1 Введение в технопоrию поверхностноrо монтажа: ключевые проблемы 11 Фото лицевой (а) и обратной (6) сторон двухсторонней многослойной комму· тационной платы, выполненной исключительно методами ТПМК: и реализую­ щей функцию блока памяти объемом 8 Мбайт. Пайка осуществлена методом расплавления дозированного припоя при конвекционном и инфракрасном на­ греве за два прохода с использованием оловянно-свинцовой (63/37) припайной пасты на обеих сторонах. Суммарные температурные градиенты на поверхно- ,х:ти платы не превышают 16 °С. Это изделие входит в состав оборудования новых автоматизированных мест MV2000DC и DS7500 производства корпора­ ции Data Geпeral Corp. (С разрешения Data Geпeral Corp., Vitronics Corp.) \
12 i'naaa 4 В 80-х rr. появились БИС в новых корпусах типа SOIC (Small Outline Integrated Circuit) и в пластмассовых кристаллоносите­ лях PLCC (Plastic Leaded Chip Corrier), которые благодаря суб­ микронной технологии их изготовления обеспечивали небывалые функциональные во зм ожности и быст р одействие. Потенциальные­ возможно сти БИС в таком ·конструктивном исполнении вы з вали повышенный интерес у разработчиков цифровых устройств, что послужило толчком к массовому внедрению ТПМК. в производ­ ство электронных и зд елий для вычислительной техники. По тем­ же причина м перспективными компонентами являются кристал­ лодержатели на гибкой ленте-носителе типа ТА В (Таре Automa- tic Bonding). Ожидается, что именно компоненты ТАВ будут пре­ обладающими в техню< е корпусирования СБИС в середине 90-х гг" когд а уровень технологии по з волит обеспечить прием­ лемый выхо д год ных и их функционально-стоимостные показате­ ли на уровне ком м ерческих и зделий . Сложность процесса сборки ,в сочетании с недостаточной стан­ дартизацией корпусов компонентов в начальный период освоения ТПМК. в и з вестной степени ограничили быстрое распростране­ ние ТПМК. на область цифровой технщ~:и. Освоение смешанных вариантов монтажа ко м по н ентов в отверстия и на поверхность плат свя з ано с потребностью в нетрадиционных способах сборки и монтажа, что пока еще затрудняет реали з ацию преимуществ новой техники. Отсутс'Г'вие необходимого опыта в технике поверхностного монтажа у многих изготовителей аппаратуры в известной мере учитывается субпоставщиками, которые обеспечивают необход и­ мую помощь в освоении и проведении сборочно-монтажных опе­ раций тем, кто осваивает эту новую область технологии. К.роме того, отсутствие полного взаимопонимания между конструктора­ ми и те х нологами в эпоху монтажа в отверстия связано с до­ вольно печальными воспоминаниями. И если положение не из­ менится, то освоение техники поверхностного монтажа может быть обрече н о на неудачу. Потенциальные воз м ожности ТПМК. не смогут быть реали з ованы, если приоритет не будет отдан про­ блемам технологичности конструкторских решений. Это хорошо понимают в производственных условиях, но еще предстоит осо­ знать на управленческом уровне, с тем чтобы осуществить тре­ буемую координацию. Необход имость такой психологической пе­ ремены часто подчеркивается, однако в осуществлении ее нема­ ло трудностей. Основные факторы, влияющие на ТПМК., обсуж­ даются в табл. 1.1 . ДОСТОИНСТВА МИКРОКОРПУСОВ Термин «технология поверхностного монтажа» является об­ щим обо з начением нового направления в области электроники, включающего и технику корпусирования компонентов. Навесные /
!>:» i - r Введение а технопоrию поаерхностноrо монтажа: ключевые nробпемы 11 компоненты, предназначенные для поверхностного монтажа, в основном, намного меньше, чем их традиционные эквиваленты, монтируемые в отверстия. Вместо длинных выводов или штырь­ ко.в, как у корпусов, монтируемых в отверстия, они имеют очень короткие выводы или просто внешние контактные площадки. Та­ кие компоненты непосредственно закрепляются на верхней (или нижней) стороне коммутационной платы при совмещении их вы­ водов или внешних контактов с контактными площадками. Малые размеры компонентов для ТПМК обеспечивают: 8 Более высокую плотность монтажа на единицу площади ком­ мутационной платы и, следовательно, дают снижение массо­ габаритных показателей при том же уровне функциональных возможностей. 8 Увеличение числа выводов корпуса (например, пластмассовый кристаллоноситель PLCC имеет 84 вывода) и, следовательно, повышение функциональных возможностей на единицу поверх­ ности коммутационной платы. Отмечая преимущества конструкции, разработанной на базе ТПМК, не следует умалчивать о сложном комплексе проблем, возникающих на этапе ее производства. Появление компонентов­ для ТПМК способствовало осуществлению и развитию процесса а:втоматизированной сборки. Но по мере перехода от простых чипов резисторов и конденсаторов к сложным корпусам ИС про­ блемы установки компонентов, пайки, проверки, испытаний и ремонта вылились в сложную систему технологических ограни­ чений. Использование компонентов для ТПМК, несомненно, может дать целый ряд преимуществ. Именно поэтому год от года воз­ растают темпы освоения юроцесса поверхностного монтажа. Уже в настоящее время разработчики, благодаря достоинствам новой технологии, имеют возможность уменьшать количество плат в проектируемом изделии, а выход годных в случае ТПМК даже в первом приближении не уступает выходу годных изделий с 'монтажом в отверстия. Применение корпусов с короткими вы- . водами или внешними контактными площадками способствует также уменьшению величины паразитных индуктивностей, что особенно важно, например, в СВЧ-устройствах. Кроме того, для таких корпусов не требуется формовка и обрезка выводов, хотя обеспечение их копланарности •все еще остается проблемой для PLCC с J-образными выводами и выводами в виде крыла чайки. Конструирование изделий с поверхностным монтажом может быть довольно гибким: возможны варианты конструкторско-тех­ нологической реализации изделия, в том числе и смешанный ва­ риант с исюользованием ком•понентов для ТПМК и компонентов для установки в отверстия, если это целесообразно. Обычно с помощью техники поверхностного монтажа можно получить весь-
Таблица t.t . Факторы, влияющие на освоение ТПМI( Наименование фактора При проектировании коммутационных плат Миниатюризация Возрастание функциональных возмож­ ностей (отнесенное к единице поверхно­ сти коммутационной платы) Уменьшение габаритов коммутационных плат Снижение стоимости компонентов, пр ед­ назнач енных для ТПМК Доступность компонентов, приспособлен­ ных для тпмк Стандартизация корпусов компонентов дли тпмк Межгосударственная конкуренцю1 Выход годных компонентов для ТПМК Новые разработки конструкций комму· тационных плат Влияние Ускоряю- 1 Замедля­ щее (+) ющее (-) + + + + + + + При монтаже и сборке компонентов на коммутационную плату Имеющееся произво дств енное обору до­ вание для монтажа компонентов в от- верстия Большие капиталовложения, требуИ?· щиеся на оборудование для сборки, пан­ ки, испытаний и ремонта Новизна процессов монтажа Большинство существующих микросбо­ рок являются смешанными (поверхност­ ный монтаж ком понентов в сочетании с монтажом в отверстия) Выход годных сборок I(омментарии В настоящее время не так важна для рынка США, как для японской бытовой электроники. Однако вскоре ее значение возрастет и для американской автомобильной электроники, техники связи и аппаратурь\ обработки данных Характеризуется увеличением плотности монтажа компонен· тов на единицу площади несущей части конструкции изде­ лия (постоянная ·тенденция американской электроники). Раз­ меры компон е нтов являются ограничивающим фактором Н еобходимо для миниатюризации Может стать главным фактором в применении ТПМК. Общее снижение стоимости еще не полностью сказалось ·на удешев­ лении сборочно - монтажных работ в США. Ожидается, что со временем стоимость компонентов для ТПМК сравняется со стоимостью компонентов ~ля монтажа в отверстия В настоящее время изготавливается всего около 20 ООО типо­ номиналов· компонентов в корпусах , пригодных для ТПМК Топология контактных площадок (один из элементов проек­ тирования .коммутационных плат) и габариты корпусов (за­ дающие конструктивные размеры питающих устройств мон­ тажных автоматов) пока стандарти з ированы не в полной мере В Японии около 20% чипов пригодны для применения в тех­ нике поверхностного монтажа . США не хотят остаться поза­ ди в делах внедрения техникц 20-летией давнос:и ф чнnов должна быть ниже Частота появления де ектиости _ 6 100 · 10 -6 и обычно составляет 20 · 10 о 15-200/ общего числа ежегодно используемых плат коло '° б Приспособление старых являются новыми р аз ра откам~.т к ТПМК не эффективно. конструкций коммутационных пл я ТПМК ограничено Увеличение объемов выпуска п:е~ :вых или улучшенных новыми разработка м и и внедрен изделий поверхностный монтаж Пассивные компоненты на нижней стороне ком- в первом поколении изделий ТПМК сочетался с монтажом в отверстия. ТПМК монтировались в этом случае мутационной (печатной) платы вуют о том что: а) су­ Новые капиталовложения свидет:льис:черпали сво~ возможно­ ществующие сборочные мощност сти и б) объем рынка возрастает • вки компонентов и панки Способ позиционирования, уста~о монтаже в отверстия и не отличаются от применяемых пр всегда хорошо освоены технике поверхностного мон- Это наиболее сложный вопрос в ТПМК монтаж тажа. Только в случае полного освоения упрощается т'огда когда процесс будет Фактор станет положительн:: того вр~меии потребуются до­ хорошо изучен и освоен, а П и введении монтажных рогостоящие испытания и ремои;~яв!еиия дефектов 100· 10-&, автоматов достижима частот: предполагает жесткие додуски Такой высокий выход годны для плат и компонентов
Таблица 1.1. Факторы, влияющие на освоение ТПМI( Наименование фактора При проектировании коммутационных плат Миниатюризация Возрастание функциональных возмож­ ностей (отнесенное к единице поверхно­ сти коммутационной платы) Уменьшение габаритов коммутационных плат Снижение стоимости компонентов, пред­ назначенных для ТПМК Доступность компонентов, приспособлен­ ных для тпмк: Стандартизация корпусов компонентов дли тпмк: Межгосударственная конкуренци51 Выход годных компонентов для ТПМК Новые разработки конструкций комму· тационных плат Влияние Ускоряю- 1 Замедля­ щее (+) ющее (-) + + + + + + + При монтаже и сборке компонентов на коммутационную плату Имеющееся производственное обору да­ вание для монтажа компонентов в от­ верстия Большие капиталовложения, требу~о­ щиеся на оборудование для сборки, пан­ ки, испытаний и ремонта Новизна процессов монтажа Большинство существующих микросбо- ок являются смешанными (поверхност­ ~ый монтаж компонентов в сочетании с монтажом в отверстия) Выход годных сборок Комментарии В настоящее время не так важна для рынка США, как для японской бытовой электроники. Однако вскоре ее значение возрастет и для американской автомобильной электроники, техники связи и аппаратурьr, обработки данных Характеризуется увеличением плотности монтажа компонен­ тов на единицу площади несущей части конструкции изде­ лия (постоянная тенденция американской электроники). Раз­ меры компонентов являются ограничивающим фактором Необходимо для миниатюризации Может стать главным фактором в применении ТПМК:. Общее снижение стоимости еще не полностью сказалось ·иа удешев­ лении сборочно-монтажных работ в США. Ожидается, что со временем стоимость компонентов для ТПМК сравняется со стоимостью компонентов д_ля монтажа в отверстия В настоящее время изготавливается всего около 20 ООО типо­ номиналов· компонентов в корпусах, пригодных для ТПМI( Топология контактных площадок (один из элементов проек­ тирования .коммутационных плат) и габариты корпусов (за­ дающие конструктивные размеры питающих устройств мон­ тажных автоматов) пока стандартизированы не в полной мере В Японии около 20% чипов пригодны для применения в тех­ нике поверхностного монтажа. США не хотят остаться поза­ ди в делах внедрения техникц 20-летией давнос;и Частота появления дефектности ч~~ов должна быть ниже 100· 10-6 и обычно составляет 20· 10 о 15-201:\{ общего числа ежегодно используемых плат коло о б ми Приспособление старых являются новыми разра отка · ТПМК не эффективно конструкций коммутационных плат к ТПМК ограничен~ Увеличение объемов выпуска п:~ ::/:в~х или улучшенных новыми разработками и внедрен е изделий поверхностный монтаж Пассивные компоненты на нижней стороне ком- В первом поколении изделий ТПМК сочетался с монтажом в отверстия. ТПМК монтировались в этом случае мутационной (печатной) платы ьствуют о том что: а) су­ Новые капиталовложения свид~~~л исчерпали сво~ возможно­ ществующие сборочные мощно сти и б) объем рынка возрастает • вки компонентов и панки Способ позиционирования, устано монтаже в отверстия и не отличаются от применяемых при всегда хорошо освоены • ехиике поверхностного мон- Это наиболее сложныи вопрос в т ТПМК монтаж тажа. Только в случае полного освоения упрощается 'огда когда процесс будет Фактор станет положительны: то:о вр~меии потребуются до· хорошо изучен и освоен, а д П и введении монтажных рогостоящие испытания и ремои~~яв!еиия дефектов 100· IO-&, автоматов до~тижима частот: предполагает жесткие допуски Такой высокии выход годны для плат и компонентов
Наименование факторэ Проверка смонтированных устройств на качество сборки н функцноннрование Отсутствие автоматизнрованного обору­ дования и осна стки для испытаний смон­ тированных плат Ремонтопригодность Прецнзнонность операций · сборочно-монтажных При управлении операциями сборки Высокая профессиональная подготовка персон а ла на сборочно-монтажных опе­ рациях н высокий уровень управления им Влияние ~·скоряю- 1 Замед.пя­ щее (+) юще е (-) + + Прод0Ажени1 Комментарии Ручная проверка затруднена малыми размерами компонентов . н выводов. Разрабатываются контролирующие системы тех­ нического зрения, но онн пока еще дороги. Невозможна про­ верка загнутых под корпус J-образных выводов у корпусов тнпа SOIC н PLCC Определение дефектов в процессе монтажа с помощью встро­ енных средств контроля требует испытательной оснас'{:ки. Существующая в настоящее время испытательная оснастка с захватом компонент а для испытаний не полност!lю удовлет­ воряет предъявляемым требованиям и дорога. Доступ к вы­ водам компонентов н надежный контакт при измерениях за­ труднены . Учет требований для обеспечения тест-контроля и контролепригодности изделия является сложной проблемой . : на этапе конструирования Пе~:>епайка для замены компонентов затруднена, так же как ручной монтаж компонентов . Организуются участк·н ремонта . Ремонт может обойтись в 10 раз дороже, чем в случае мон­ тажа компонентов в отверстия Нео.бходнмо наращивать инициативу в этом вопросе, так как в п ерспективе миниатюризация и рост функциональных воз­ можностей неотвратимы Это единственный путь для повышения эффективности произ­ водства, позволяющий использовать профессиональный опыт и лучшие традиции изготовления микросборок (например, методы управления по ограничениям, применяемые в США)
Введение в технопоrию поверхностноrо монтвжа: кпючевые пробпемы ti ма высокую надежность, хотя в некоторых случаях она не обя· зательно выше той, которая присуща корпусам, монтируемым в отверстия. Корпуса для ТПМК, например, более устойчивы к воздействию вибрации, чем их традиционные аналоги. Тем не­ менее неудачно выбранная стратегия проектирования изделий: неизбежно приведет к возникновению проблем надежности. ТЕХНОЛОГИЧНОСТЬ Поверхностный монтаж допускает высокоскоростную авто·­ матическую установку компонентов с частотой появления дефек­ тов (100-1000) · l0-6 в зависимости от сложности конструкции корпуса. Недостаток коммутационных плат (КП) для ТПМК. заключается в том, что они менее удобны, чем традиционные" для проверки, испытаний и ремонта. Многовыводные корпуса требуют проектирования узких коммутационных дорожек с ма­ лым шагом между ними и, если не оптимизированы условия паЧ­ ки, могут возникнуть проблемы, связанные с образованием пе­ ремычек припоя между соседними проводящими дорожками и выводами. В любом случае существуют некоторые ограничения, налагаемые, например, в отдельны~ случаях на пайку компонел­ тов волной припоя или погружением ·либо на методы пайки рас­ плавлением дозированного припоя; для большинства коммута­ ционных плат весьма трудно осуществить эффективную визуаль­ ную проверку качества пайки, поскольку выводы компонентов-:.. могут быть частично или полностью скрыты телом самого ком:'" понента; в то же время использование топологии платы, обеспе-: чивающей осмотр каждого соединительного узла за пределами: периметра корпуса компонента, неизбежно привело бы к неэф­ фективному использованию рабочегЬ поля платы. Таким обра­ зом, необходимо тщательно прорабатывать вопросы испытания· изготовленных плат. Применение в этом случае испытательных зондов чаще всего не эффективно из-за слишком малого расстоя· ния (шага) между выводами и коммутационными дорожками. ОТВОД ТЕПЛА Проблема теплоотвода, по-·видимому, одна из наиболее рас­ пространенных и трудных в количественной оценке для изделий с применением ТПМК. Вследствие малого расстояния между ком­ nонентами количество тепла, выделяемого компонентами на еди-­ ницу площади платы, существенно увеличивается. При разра­ ботке конструкции платы отвод тепла должен обязательно учи­ тываться. Для улучшения теплоотвода можно использовать, например, платы на основе инвара, плакированного медью, хотя­ они дороже и массивнее обычных стеклоэпоксидных плат, кото­ рые также используются в ТПМК. Несогласованность коэффи- 2-1533
::18 rnaвa t циентов теплового расширения контактирующих материалов пла­ ты и корпуса ком,понента приводит реально к усталостным на­ пряжениям и раз·витию деф е ктов в местах пайки вследствие по­ стоянного термоциклирования, связанного с цикличностью работы устройств . В 'Конечном итоге может развиться обширное коробление и плата ра з рушится. По этой причине на традицион­ ных платах нецелесообразно монтировать компоненты в керами­ ческих корпусах с габаритами, превышающи м и 6 мм, а в процес­ се проектирования плат приходится принимать альтернативные ,решения. ЭКОНОМИЧЕСКИJil АСПЕКТ ТПМК Прежде чем осваивать технику поверхностного монтажа ком- · .понентов, следует точно установить номенклатуру и зделий, для которых это аправ ·дывается, а затем определить рыночную конъ­ юнктуру и производствен.дые возможности в мировом масштабе . Фактически многие изделия в различных регионах мира уже успешно изготавливались с использованием ТПМК: от самой де­ шевой бытовой эле·ктроники и ~плат (только односторонних) для видеокамер в Японии до высоконадежных устройств связи про­ изводства АТТ в США и British Telecom в Великобритании, а ·также переносной аппаратуры, как, например, карманных радио­ при е мников и печатающих устройств произ1водства фирм-гигантов «Филиппс » и « Моторола » . Во многих случаях, од нако, прямой экономический выигрыш, который может дать ТПМК по ср а вне­ нию с техникой монтажа в отверстия, не дока з уем . Корпуса для ТПМК дороже обычных корпусов, требуют плат более сложной конструкции, не обеспечивают приемл е мого выхо д а годных из­ делий на этапе внедрения, требуют больших з атрат на испытания !1 ремонт и, что более важно, требуют начальных к апиталовло­ жений порядка по меньшей мере полумиллиона долларов. Преимущества техники поверхностного монтажа не могут быть оценены только прямым сопоставлением с экономиче ски м и показателями техники монтажа в отверстия. Стимулами разви­ тия и доказательством прав на существование (жиз ненности) поверхностного монтажа являются уменьшение массо-габарит­ ных показателеi;I и увелич ение функциональных во з можност е й аппаратуры. У спех внедрения техники поверхностного монтажа зависит от рыночной конъюнктуры, поэтому краткосрочны й эко ­ номический анализ не может служить надежной осново й для принятия решения. ЯПОНСКОЕ ПРЕВОСХОДСТВО И АМЕРИКАНСКОЕ ЛИДЕРСТВО Япония вполне обоснованно считается доминирующей в освое­ нии и ра звитии техники поверхностного монтажа. Более 20% общего количества корпусов, из готовленных в Японии в 1986 г.,
\ Введение в техноnоrию поверхностноrо монтажа: кnючевые пробnемы 111' предназначены для поверхностного монтажа (против 8,5% в США). В Японии фактически применяются в основном простые чип-конденсаторы и чип-резисторы, в то время как американские· фирмы владеют технологией монтажа сложных корпусов инте­ гральных микросхем. Эти цифры объясняются преимуществен­ ным успехом Японии и других стран Юго-Восточной Азии в об­ ласти монтажа плат аналоговых устройств для потребительских изделий широкого применения и лидерством США в монтаже плат для цифровых устройств вычислительной техники. Чип-конденсаторы и чип-резисторы имеют огромные преиму­ щества перед их аналогами для монтажа в отверстия: •·Компоненты всех номиналов размещаются в корпусах только трех типоразмеров, чем обеспечивается эффективная стандар- .> тизация. • Стандартизация корпусов позволяет использовать быстродей­ ствующие монтажные автоматы с реальной производитель­ ностью более 10 ООО компонентов в час. • Пайка двойной волной припоя (хорошо известная и давно освоенная технология) может быть эффективно использована для технологии поверхностного монтажа. Преимущества использования чип-конденсаторов и чип-рези­ сторов несомненны; миниатюризация позволяет изготавливать множество новых изделий широкого применения без каких-либо технологических ограничений. В США положение другое. Около 25% от общего числа ком­ понентов, производимых в США, приходится на интегральные схемы. Основательно осуществляется перевод техники корпуси­ рования с корпусов типа DIP на корпуса типа SOIC или PLCC; в их производстве существует много технологических тонкостей, поэтому в начале 80-х гг. ощущалась нехватка ИС в корпусах для ТПМК. Сложные корпуса требуют, кроме того, нетрадици­ онных процессов монтажа на коммутационные платы с использо­ ванием припайной пасты, наносимой методом трафаретной печа­ ти, и пайки расплавлением дозированного припоя. Процессы,. лежащие в основе этих технологических операций, еще до конца не изучены, и при их реализации не всегда достигается высокий уровень качества при высоком выходе годных изделий, что в об­ щем-то уже достигнуто на этапе размещения компонентов. Сегодня большое число компаний США, производящих вы­ числительную технику, имеет производственный опыт, достаточ­ ный для работы со сложными компонентами для ТПМК, и вла­ деет тонкостями .процесса их монтажа даже в случае минималь­ ного шага между внешними выводами 0,025 дю[rм (О,635 мм). Электронная промышленность США установила 'свое лидерство в применении ТПМК в цифровой технике, в которой она доми­ нирует. (Распределение корпусов американского производства 2*
20 rпввв 1 Рис. 1.1. Прогноз распределения корпусов электронных комп о н е нт ов, пре д наз ­ наченных дл я поверхно с тного монтажа (нез аштрихованиый сектор) и дл я мон­ тажа в отверстия (заштрих ованный сектор), на рынке США в 1991 г. (Источ­ ник: прогноз «Рынки электронных м11кросборок в 1991 г.» фирмы Ceeris Iпter­ пatioпal, AJM, 1987 г., No 6): оптимистический (слева) и пессимистический (справа) прогнозы. rю их пригодности к разновидностям монтажа показано в "J'абл. 1.2 и на рис. 1.1). Таблица 1.2 . Динамика изменения доли корпусов для ТПМI( в общем выпуске корпусов американского производства Год Для монтажа в Для монтажа на отвер стнн Поверхности•~ 1983 >99% <1% 1984 97,5% 2,5% 1985 95,5%' 4,5% !986 88% 12% 1990 60-70% 30-40% • ) l(омпоненты, используемые для монтажа в гибри д ны х микросхемах, не учитываются. Источник: прогноз «Рынки электронных мнкросборок в 1991 г.:о фирмы CEEIHS lnter- national AIM, 1987, No 6.
Глава 2 КОМПОНЕНТЫ И КОРПУСА Корпуса для поверхностного монтажа примерно вдвое меньше своих ана­ логов, монтируемых в отверстия, однако они все еще на 25-50% дороже. В настоящее время имеется более 25 ООО типономиналов компонентов в испол­ нении, пригодном для поверхностного монтажа, и все основные производители приспособили свои сборочные линии для установки таких корпусов. Изготови­ те.пей серьезно беспокоит недостаток стандартизации. Нужны еще стандарты на размеры корпусов, топологию контактных площадок, топологию коммутации и электрические характеристики. Фактически стандарты появляются на: чип­ резисторы в корпусах типоразмера 1206; чип-конденсаторы в корпусах 0805, 1206, 1210 и 1812; на корпуса SOT-23 и SOT-89 (ТО-236 и ТО-243 соответст­ венно); на корпус SOIC в узком (0,150 дюйма=3,81 мм) и широком (0,300 дюй­ ма=7,62 мм) исполнении; на кристаллоноситель PLCC с числом выводов от 28 до 84 и шагом 0,050 дюйма (1,27 мм). В области субмикронной технологии имеются сообщения о появлении ком­ понентов на гибких лентах с 300 и более выводами, и это свидетельствует в пользу того, что поверхностный монтаж займет ведущие позиции в технике корпусирования 90-х гг. В настоящее время на рынке имеется довольно большой вы­ бор компонентов и корпусов. По оценкам экспертов, каждый ме­ сяц появляется дюжина новых. Важно было бы оценить состоя­ ние техники корпусирования компонентов, методов их изготов­ ления и _применения, проблем стандартизации (и вероятного пути ее развития), дополнив описанием типов корпусов и выбо­ ра форм их поставки. ОСНОВНЫЕ l"РУППЫ КОРПУСОВ Приведем существующую классификацию корпусов. 1. Простые КОР'пуса для пассивных компонентов: • безвыводные корпуса прямоугольной· формы, например рези­ сторов и конденсаторов; • корпуса типа MELF (Metal Electrode Face Bonded - с вмон­ тированными электродами в виде металлизированных торцов. 2. Сложные корпуса для многовыводных полупроводниковых приборов: • малогабаритный транзисторный корпус (Small Outline Tran- sistor - SOT) ; • малогабаритный корпус (Small Outline- SO) для интеграль­ ных схем; • увеличенный малогабаритный корпус (Sma11 Outline Large- "" SOL) для интегральных схем; • пластмассовые кристаллоносители с выводами (Plastic Lea~ ded Chip Carrier- PLCC);
22 Глава 1 • безвыводные керамические кристаллоносители (Leadless Ce- ramic Chip Carrier - LCCC); • керамические кристаллоносители с выводами (Leaded Cera- mic Chip Carrier- LDCC). 3. Различные нестандартные корпуса для компонентов не­ правильной формы, например индуктивностей и переключателей~ Существуют также другие типы конструкций корпусов, на­ пример корпус для интегральных схем с четырехсторонней раз­ водкой выводов. Название «корпус с четырехсторонней развод­ кой выводов» является по существу общим термином, охватыва­ ющим любой корпус, в том числе с нестандартной величиной. шага выводов, расположенных по всем четырем его сторонам. ПРОСТЫЕ КОРПУСА Безвыводной корпус прямоугольной формы. Безвыводные корпуса прямоугольной формы, или чипы (рис. 2.1), являются наиболее распространенным типом корпусов для поверхностного монтажа пассивных компонентов, например резисторов и кон­ денсаторов. Они различаются стоимостью, габаритными разме­ рами, рабочим напряжением (или рассеиваемой мощностью) и материалом диэлектрика (у чип-конденсаторов). Для указания геометрических размеров таких корпусов используется краткая форма обозначения, например 1206 означает, что компонент име­ ет длину 0,12 дюйма (3,048 мм) и ширину 0,06 дюйма (1,524 мм). Эти величины могут изменяться от изготовителя к изготовителю и должны контролироваться в случае использования однотипных компонентов разных изготовителей. JJpи монтаже прямоугольных чипов особое внимание следует уделять решению проблем их пайки на коммутационные платы. Очень важно выбрать правильную топологию контактных пло­ щадок, которая зависит от метода пайки, т. е. применяется ли пайка волной ли:бо пайка расплавлением дозированного припоя. Необходимо также учитывать в разработках материал выводных контактных площадок чипов, что нередко бывает связано с ре­ шением серьезных проблем, например для предотвращения вы­ щелачивания серебра контактных площадок чипа в процессе пайки рекомендуется предварительно их покрывать никелем, вы­ полняющим роль защитного барьера при пайке. Слои материа­ лов на контактных площадках чипов в этом случае должны рас­ полагаться (начиная изнутри) в последовательности: серебро. никель, припой (например, олово-свинец 60/40; 63/37 или оло­ во--;палладий-серебро 62/36/2); следует отдавать предпочтение луженым контактам ~перед нелужеными. Резисторы. Типоразмер 1206 является практически промыш­ ленным станда1ртом; применяются также корпуса больших и меньших размеров; в Японии в настоящее время в некоторых
Компоненты и корпуса 23 Защитное покрытие Резистивный слой j__ Контактная ·15;{s:;ш;;i;:;;o:s;:;ma2;] поверхность О,Ь±О,15 ~~макс. Керамическое основание 16Г.г-1 '._LL___] \... 3,2:!:0,15 ~ (размеры в мм) а в с~с D+DJб Типоразмер корпуса СО805 R/C1206 С1210 С1808 С1812 С2220 Типоразмер корпус\а СО805 R/Cl206 Габаритные 1 А, 1В, 1С, 1 D, размеры, мм мммммммм 2.0Xl ,25 0,8 3,4 1.3 1'4 3,2Xl,6 1,8 4,6 1,4 1,7 3,2Х2,5 1,8 4,6 1,4 2'6 4,5Х2,О 2,8 6,2 1,7 2.1 4,5Х3,2 2.8 6,2 1,7 3,3 5,7Хб,О 4,0 7,4 1.7 5.1 1 Габаритные 1А, /В, 1С, , D, , Е, размеры, мм мм мм мм мм мм 2,ОХ 1,25 3,2Xl,6 1,2 3,6 1.2 1,2 0,4 2,04,81 ,41,40,5 Рис. 2.1 . а - конструкция и габаритные размеры прямоугольных чипов (с раз­ решения Mepco/Electra); б - знакоместо резисторов и многослойных керами­ ческих конденсаторов для поверхностного монтажа в случае пайки методами расплавления дозированного припоя (с разрешения Sigпetics); в - знакоместо резисторов и многослойных керамических конденсаторов для поверхностного монтажа в случае пайки волной припоя (с разрешения Sigпetics). применениях используются ,кор1пуса типоразмеров 0805 и 1608. Вот типичные характеристики компонентов в этих корпусах: • Номинальная рассеиваемая мощность от 0,125 до 0,25 Вт (в специальной аппаратуре) при 70 °С (при О 0 С данных нет). • Номинальное напряжение 200 В (пост. ток).
24 Глава 1 Рис. 2.2 . Чип-резисторы (с разрешения Flint Distribution Ltd). • Допуск на номинал рез,истора ,и температурныИ ко~ффициенr сопротивления: 1 % при 100· I0-6 град- 1 и 5% при 200Х Х10-6 град-1• • Ста!Нда:ртный диапазон сопротивлений от 10 Ом до 2,2 МОм. Большая часть чип-резисторов (рис. 2.2) изготовляется ме­ тодами толстопленочной технологии, которая включает отжиг смесей оксидов металлов и керамики (или стекла), нанесенных на керамические подложки с применением, например, шелкогра­ фии. Аналогично изготавливаются контактные площадки рези­ сторов. Тело резисторов нередко покрывается пассивирующим слоем стекла. После лазерной подгонки (для получения требуе­ мой величины сопротивления) и покрытия эпоксидным составом подложки разрезаются на отдельные чип-резисторы. Некоторые компании производят для специальных применений чип-резисто­ ры на основе тонких пленок никеля и хрома. Конденсаторы. Керамические многослойные конденсаторы (рис. 2.3) также производятся в корпусах типоразмера 1206, осо­ бенно для номиналов среднего диапазона емкости. Многие раз­ работчики предпочитают типоразмеры 1206 и 1210. Получают также распространение конденсаторы типоразмеров 0805 и 1812.
Компоненты и корпуса 25 Рис. 2.3: Многослойные керамические конденсаторы (с разрешения Flint Distri· bution Ltd). Поскольку керамические материалы применяются уже давно, особенно для изготовления гибридных интегральных схем, соот­ ветствующие технологические процессы хорошо отработаны. Они обеспечивают большой выигрыш в габаритах вследствие исполь­ зования многослойной структуры, а изменением коммутации от­ дельных выводов конденсаторов можно получить в одной мик­ росборке несколько параллельно соединенных между собой кон­ денсаторов. Пользователи, однако, отмечают, что эти компонен­ ты восприимчивы к тепловому удару; хорошим средством для повышения стойкости к термоудару является предварительный прогрев конденсатора перед его погружением в ванну с припоем со скоростью примерно 2 °С в секунду. В идеальном случае пред­ варительный прогрев должен повысить температуру тела конден­ сатора до уровня, отличающегося от температуры припоя в ван­ не не более чем на 100 °С. Танталовые конденсаторы для ,поверхностного монтажа в большинстве случаев имеют нестандартную конструкцию, одна­ ко в настоящее время все большее число их стандартизируется. Монолитная конструкция конденсатора обычно полностью по­ крывается герметиком, а внутренняя структура представляет со­ бой пакет чередующихся слоев материалов обкладок конденса..,
26 Глава 1 тора (электродов) и диэлектрика. Слоистая структура увеличи­ вает удельную объемную емкость чипа, но не оказывает значи­ т е льного влияния на толщину 'Компонента. Диэлектрические материалы, применяемые в конденсаторах в соответствии со стандартами на компоненты (например, стандарт EIA*) RS-198). подразделяются на два класса: • Класс 1 (например, материал COG) обладает низкой диэлек­ трической проницаемостью , но хорошей температурной ста­ бильностью. Типичные значения емкости компонентов, сделан­ ных из этого материала, составляют 10 ООО лФ (при рабочем напряжении 50 В) и 4700 пФ (при рабочем напряжении 100 В). • Класс 2 (например, материал X7R) имеет более высокую ди­ электрическую проницаемость, но меньшую температурную стабильность, чем предыдущий. Значения емкости достигают 0,47 мкФ, а с менее стабильным диэлектрическим материалом (например, 75U) можно получить и более высокие значения. Существуют также оксидные электролитические конденсато- ры для поверхностного монтажа (по крайней мере в некоторых конструктивных исполнениях) для внутрисхемных применений (Еапример, в цепях развязки, блокировки в низковольтных цепях н др.). Типичные значения номинальной емкости этих чип-кон­ денсаторов достигают нескольких микрофарад при рабочем на­ пряжении порядка 50 В. : Японские фирмы форсируют ра з работку оксидных электроли­ тических конденсаторов. Так, фирма Nippon Chemi-Con налади­ ла массовое производство электролитических конденсаторов на основе оксида алюминия, в которых одним электродом является алюминиевая пластина, а покрывающий ее тонкой пленкой оксид алюминия выполняет роль диэлектрика. Вторым электро­ дом служит электролит, который обладает способностью посто­ янно регенерировать пленку оксида алюминия. Однако в оксид­ ных конденсаторах этого типа при воздействии высокой темпера­ туры, которая ускоряет химические реакции на границах пленки, происходит опасное выделение газов, скапливающихся внутри корпуса, независимо от того, является ли электролит жидким или твердым по природе. Это особенно важно учитывать в процессе пайки. По этой причине для оксидных чип-конденсаторов пред­ почтительны методы пайки расплавлением дозированного при­ поя, а не пайка волной, хотя в принципе можно использовать обе технологии. Некоторые патентованные изделия, например марки Alchip-S производства фирмы Nippon Chemi-Con, как утвержда­ ют специалисты фирмы, обладают повышенной теплостойкостью. *> EIA (Electronic Industries Association) -Ассоциация электронной про­ мышленности (США).
] Компоненты и корпуса 27 Рис. 2.4 . Резисторы в корпусе MELF (с разрешения Flint Distribution Ltd). l(омпоненты в корпусе типа MELF. Еще одним типом корпуса для пассивных компонентов является MELF, который напомина­ ет слегка измененный, безвыводной вариант стандартного рези­ стора или конденсатора с выводами (рис. 2.4 и 2.5). В корпусах типа MELF изготовляют кремниевые диоды, высокочастотные катушки индуктивности с постоянной индуктивностью, тантало­ вые конденсаторы, металлопленочные резисторы и устройства защиты от перенапряжений, но в наибольших объемах произво­ дятся постоянные керамические конденсаторы и графитовые пле­ ночные резисторы. В типичном случае керамический конденсатор в корпусе MELF имеет диапазоны емкости 1-22 ООО пФ при рабочем на­ пряжении 50 В, однако увеличение емкости таких конденсато­ ров в некоторой степени ограничено тем, что они обычно имеют один слой диэлектрика, хотя в настоящее время с применением нового, более перспективного диэлектрического материала мож­ но получать конденсаторы емкостью до 33 ООО пФ. Для графито­ вых .пленочных резисторов стандартным отклонением от номи­ нала является величина 5% (Е24*>), а в случае металлопленоч­ ных - 1% (Е24, Е96). В настоящее время применяются резисто­ ры с номинальной мощностью 0,125 Вт, но ожидается, что они будут постепенно вытесняться резисторами с номинальной мощ­ ностью О, 1 Вт. Имеется также несколько корпусов, например MINI-MELF и MI-Chip, производимых отдельными изготовителями. Другие ва­ рианты корпусов, поставляемые по заказу, включают, например, бесколпачковое исполнение керамических конденсаторов, что улучшает их высокочастотные характеристики. Корпус MELF имеет несколько преимуществ, основным из них является низкая стоимость, по меньшей мере сравнимая со стоимостью эквива­ лентных компонентов с проволочными выводами. Стандартные типоразмеры MELF обычно рассчитаны на такую же топологию контактных площадок, что и компоненты с выводами. Они иск­ лючительно _популярны в Японии, где многие изготовители быта- *J Е24 - один из стандартных рядов номинальных значений, включающий набор 24 номиналов (МЭК). -Прим. перев.
Тип компо- Размеры, мм пеша L с !2f>D1 .\ .e rD, .e rD, . J_Dэ · ffiffiffi ooНffio, RD41В2E RN41C2E 5,9±0,2 о,& (мин.) 2,2±0,1 2,2+• ,1 -0,1 0,15 (макс.) СС25 RD41B2B 1:~L~1 - RN41C2B 3,5±0,02 0 ,5 (мнн.) 1,45±0,1 1,55 (макс.) 0.1 (макс.) СС12 а RD41В2D RN41C2D 3 ,2±0,2 0,5 (мни.) 1,5±0,1 1,6±0,15 0.1 (макс.) СС20 RD41В2A 2,0±0, 1 0,3 (мни.) 1,25±0,06 0,07 (макс.) ·/ Ра зм е ры, дюl!мы (мм) Способ nайкн 1 А в с о· Лаl!ка расплавлением до· 0,096 (2,4) 0,208, (5,2) . 0 ,056 (1,4) 0.056 (1,4) знро в анноrо nрнпоя Пайка волной припоя 0, 10 (2,5) 0,2 (5,0) 0,05 (1,25) 0,08 (2,0) рис, 2.5, Ра зм еры резисторов в корпусе MELF · (а) и знакоместа кopnrca. SOD-80 диода (6) (с разрешения Signetics),
Компоненты и корпуса 29 , , ~ , '-~ ·, ,, 1 Рис.'2.6~ К:орпуса типа SOT (с разрешения Flint Distribution Ltd). вой электроники заменили ими традиционные компоненты. По электрическим характеристикам они могут превосходить компо­ ненты с выводами (MELF не имеет паразитной индуктивност::I или емкости выводов, с которыми, как правило, надо бороться). Принятие решения о выборе компонентов в корпусе MELF для поверхностного монтажа в условиях наличия традиционных ком­ понентов с экви,валентными параметрами всегда связано с ком­ промиссами. Г ла·вными критериями в этой ситуации окажутся, вероятно, стоимость и простота сборки. Монтажные автоматы последовательного действия могут потребовать, например, уста­ новки специальных головок, рассчитанных для работы с цилинд­ рйческими корпусами. Установка многих корпусов типа MELF может быть затруд­ нена в случае, если компонент не контактирует с адгезивом в своей средней точке. Конструкция корпуса MELF имеет весьма незначительную контактную зону с кацлей адгезива, имеющей в основном форму полусферы. При использовании корпуса SOD-80*>, у которого длина вместе с выступающими частями со­ ставляет ,_, 0,20 дюйма (5,08 мм), погрешность rюзиционирова­ ния, равная 0,020 дюйма (0,508 мм) по любую из сторон корпуса, иногда приводит к уменьшению эффективной посадочной длины компонента до 0,16 дюйма (4,064 мм), что, по мнению специали­ стов фирмы Signetics, в большинстве случаев неприемлемо. Уменьшение контактной зоны компонента с адгезивом увели­ чивает вероятность смещения корпуса MELF с места установки •> К:орпус цилиндрической формы, подобной MELF. - Прим. перев.
;30 rnaaa 2 до отверждения адrезива, особенно если плата со сборкой в мо­ мент отверждения не находится точно в горизонтальном поло­ жении. СЛОЖНЫЕ КОРПУСА Транзисторный миникорпус. Транзисторный миникорпус SOT - Small Outline Transistor (рис. 2.6, 2.7) применяется для корпусирования дискретных полу.проводниковых приборов. Име­ ,~тся два стандартных корпуса, которые можно использовать для SOT-23 (ТО 236) SOT-143 0,0033 -- \\ 0 ,0045 ~0,033 0,061 0,00197 0,00394 0,037 0,037 ~Jf~~·~-1. - 11 0,015 ~ 0,031 о017 о' 0,032 ~ 0,112 0.118 а 0,0033 \Го,0045 . :Ц0,00197 0,00394 0,033 0.061 SOT-89 'Рис. 2.7. а - корпуса транзисторов типа SOT (с разрешения Siemens); б - знакоместо для транзистора в корпусе SOT-23; в - знакоместо для транзисто­ ра в корпусе SOT-N-3 в случае пайки расплавлением дозированного припоя; г - знакоместо для транзистора в корпусе SOT-89 в случае пайки волной при- поя (б, в и г с разрешения Sjgnetics). Примечания. \. Размеры указаны в дюймах; 1 дюйм=25,4 мм. 2. Числа , поме­ ченные звездочкой, соответствуют максимальному значению размера. 3. В раз­ мерах, указанных парами чисел, меньшее число соответствует нижнему пре- делу размера, большее - верхнему. ~герметизации простых полупроводниковых приборов (т. е. оди­ ·ночных биполярных и полевых транзисторов, диодов, стабили-
Компоненты и корпуса 3f.: в j:c",. А • 1 .c:j Способ пайки/ Размеры, дюймы (мм) 10 оо А1в1с1D1Е F Пайка рас- о. 048 о. 104 0,028 0,044 о. 104 G ф Е F плавлением (1. 2) (2. 6) (О, 7) (1,1) (2, 6) to дозированно- го припоя :J Пайка волной 0,032 о. 136 0,052 о. 052 о. 048 о. 152-. припоя (0,8) (3.4) (1,3) (1.3) (1.2) (3,8) б __J с[_ D Размеры, дюймы (мм) А1в1с D1Е1F G1н G о. 104 о. 028 0,048 0,036 0,044 0 ,036 о. 116 0,044- (2,6) (О, 7) (1. 2) (0, 9) (1,1) (0, 9) (2. 0) о. о·- F Г1 с Размеры, дюймы (мм) DD А D 0,08 (2, 0) В С D Е F G 0,184 0 ,104 0,048 0,032 0,028 0,152- ' (4,6) (2,6) (1,2) (0,8) (0,7) (3,8) itJl:G г
.32 rnaвa 1 1'ронов и др.). Это корпуса ТО-236 (называемые также SOT-23) и ТО-243 (называемые также SOT-89). Вьrбор типа корпуса за­ висит от .мощности, рассеиваемой прибора~, и реального размера полупроводникового кристалла. ТО-236 применяется для корпу­ .сирования кристаллов, имеющих площадь до 0,030 дюйм 2 (19,35 мм 2), с рассеиваемой мощностью 200 мВт при 25°С (в не- которых паспортах на изделие указывается до 350 мВт). Второй корпус, ТО-243, рассчитан на кристаллы площадью 0,060 дюйм 2 (38,70 мм 2 ), рассеивающие мощность до 500 мВт при 25 °С (в не­ которых паспортах указывается 'до 1 Вт). Оба корпуса имеют очень простую конструкцию с тремя вы­ .водами: у ТО-236 выводы поочередно отходят от каждой из сто­ рон корпуса, в то время как у ТО-243 они ра·сположены по одну и ту же сторону корпуса, а центральный вывод имеет увеличен­ ·ный размер для лучшего отвода тепла. Важно отметить, что в разра1ботке подобных корпусов для одиночных приборов прослеживается тенденция к повышению уровня рассеиваемой мощности, с тем чтобы в конечном счете _можно было непосредственно помещать в такие корпуса для по­ верхностного монтажа мощные приборы, как, например, пере­ ключающие транзисторы и выпрямители, без каких-либо особых :изменений конструкции платы с целью улучшения ее теплоотвода. Интегральная схема в миникорпусе. Интегральная схема в миникорпусе [ SO (I С) /SOL] напоминает уменьшенный вариант 'Традиционного корпуса с двухрядным расположением ленточных выводов (типа DIP). Обычно миникорпуса поставляются в 8-, 14- и 16-выводном исполнении, при этом выводы имеют форму крыла чайки и расположены с шагом 0,050 дюйма (1,27 мм) (рис. 2.8). Большим преимуществом этого хорошо освоенного корпуса являются улучшенные значения основных массогаба­ ритных характеристик по сравнению с его аналогом DIP (р-ис. 2.9); он на 70% меньше по объему, на 30% меньше по вы­ соте, а масса та-кого корпуса составляет всего лишь 10% ма·ссы его более крупного аналога, если сравнивать 14-выводные кор­ пуса. Кроме того, миникорпус имеет лучшие электрические ха­ рактеристики, определяющие ско_рость прохождения сигнала (что более подробно будет рассматриваться в данной главе позже). К тому же для переработки топологии обычной схемы на DIР­ корпусах в вариант с использованием SOIC/SOL-кopпycoв нуж­ но внести лишь небольшие изменения, т. к. разводка выводов одинакова, но общий размер платы может быть уменьшен. В настоящее время в этом корпусе выпускается большинство 1'ипов интегральных схем как малой (МИС), так и средней (СИС) степени интеграции, включая стандартные промышленные ана­ логовые и цифровые схемы, выполненные по ТТ Л-технологии (стандартные, маломощные и сверхбыстродействующие ИС с .'; "
• I(оличество выводов 8 14 16 00 Компоненты и корпуса 33 А Размеры, дюймы (мм) мин. А макс. \-м-н-н-._в_ма-кс-.-1-ми-н-.-1-м-ак-с-.-/-м-н-н-._,.'D_м-ак-о-.- О,228 0,244 0, 150 0, 157 О, 189 О, 197 0,053 0,069 (5, 79) (6,20) (3,81) (3,99). (4,80) (5,00) (1,35) (1,75) 0,228 0 ,244 О,150 0,157 0,337 0,344 0 ,053 О,069 (5, 79) (6,20) (3,81) (З,99) (8,56) (8,7) (1,35) (1,75) 0,228 0,244 О,150 0,157 0,386 0 ,394 О,053 0,069 (5,79) 6,20 (3,81) (3,99) (9,80) (I0,01) (1,35) (1,75) -- 1of- 00с \ Размеры, дюймы (мм) Типоразмер корпуса А в с1D Е А в S0-8,14,16 0,155 0,275 о, 060 О,024 0,050 (4, 0) (7, 0) (1, 5) (О, 6) (1,27) ~1t SOL· 16,20 ,24,28 0,310 0,450 0,070 0,024 0 ,050 (7.8) (11.4) (1.8) (О,6) (1,27) SOL·8 0,36 0 ,528 0,084 0,024 0 ,050 (9, О) (13,2) (2. !) (0,6) ( 1, 27) б Рнс. 2.8 . Корпуса интегральных схем типа SO: а - конструкция н размеры (с разрешения Texas Iпstruments); б - знакоместо (с разрешения Sigпetics). Примечание. Размеры указаны в дюймах. 3-1533
Рис, 2.9 . Интегральны~ сJ1ем1>1 для поверхностного монтажа в корпусах тиriа SO в сра~ненин со свопми аналогами u i<Op· ' пусе DIP (с разрешения Texas lnstruments). . .
Компоненты и корпуса диодами Шотки) и КМОП-технологии (стандартные и сверх- быстродействующие ИС). · Стандартный миникорпус типа SO имеет ширину 0,150 дюйма (3,81 мм); существует также совершенно аналогичный корпус, называемый «увеличенным вариантом»,- SOL (Sma11 Out1ine Large), который имеет ширину 0,300 дюйма (7,62 мм). Количе­ ство выводов у этих корпусов колеблется от 16 до 28. Все корпуса типа SO соответствуют требованиям (связанным с нумерацией выводов, габаритными размерами корпусов и зна­ комест и др.), содержащимся в приложении к Стандарту JCl 1.3 Объединенного технического комитета по электронным приборам (JEDEC, США). Большинство американских и западноевропей­ ских изготовителей микроэлектронных полупроводникО'вых при­ боров в настоящее время производят их в таком исполнении. Важно, однако, отметить что существует большое число япон­ ских разработок, подобных корпусу типа SO, которые не имеют точного размерного соответствия с ним и выпускаются не по стандарту JEDEC. Пластмассовый кристаллоноситель с выводами (PLCC). Пластмассовый кристаллоноситель имеет выводы, размещенные по всем четырем сторонам корпуса, и обеспечивает непревзой­ денные функциональные возможности в пересчете на один квад­ ратный дюйм (6,45 см 2 ) площади коммутационной платы, чем, собственно, и объясняется его возросшая попу.1ярность у потре­ бителя. PLCC (рис. 2.10) - наглядный представитель следующе­ го, более высокого уровня конструктивной сложности компонен­ та по сравнению с корпусом типа SO, который, как правило, не используется для кристаллов с количеством выводов более 28. Проекция PLCC представляет собой почти правильный квадрат и имеет обычно от 18 до 84 выводов, хотя в ряде исполнений 18-выводной вариант имеет форму прямоугольника. Шаг выво­ дов у PLCC обычно составляет 0,050 или 0,025 дюйма (1,27 или 0,635 мм), однако для некоторых сложных СБИС употребляется также шаг 0,020 дюйма (0,508 мм). Корпус PLCC характеризуется наличием одного ряда выво­ дов по его периферии (что отличает его от конструкций с мат­ ричным расположением выводов). Следует также отметить, что варианты конструкции PLCC с числом выводов до 52 имеют, как правило, гибкие J-образные выводы, загибаемые под корпус при монтаже; такая конфигурация выводов весьма удобна для мас­ сового производства, поскольку тем самым исключается повреж­ дение корпуса при обращении с ним и обеспечивается возмож­ ность автоматизации монтажа, так как компоненты поставляются упакованными на гибкой ленте. Однако не полностью решенной остается проблема копланарности выводов, очень важная для .обеспечения надежности изделий. 3··
о • А ... (.)" C>Q 1 g;g O:IO мин. о :1! ::.:: -" ю 9,35 (0, 368) 28 11, 89 (0, 468) н 16,97 (0, 668) 52 19, 51 (0, 768) 68 24' 59 (0, 968) 1,27 х 45• (номмна11) ....,1-+ _ Гпааа 1 Размеры, мм (дю!lыы) в макс. мвв. 1 макс. 10,03 8 ,89 9,04 (О, 395) (0,350) (0,356) 12,57 11 .43 11 '58 (О, 495) (О, 450) (О, 456) 17,65 16' 51 16 ,66 (О, 695) (0, 650) (0, 61)6) 20, 19 19,05 19,20 (0, 795) (0, 750) (О, 756) 25,27 24' 13 24,28 (0,995) (О, 950) (О, 956 ) АВ шО,Ь3 2,41(мин.) R" 1 .=0,25 _jc f 1,36 0,46 щ щ Q с мни. 1 8,08 (0, 318) 10,62 (0, 418) 15,70 (0, 618) 18,24 (О, 718) 23,32 (0, 918) макс. 8,38 (0, 330) 10.92 (О, 430) 16. 00 (0, 630) 18, 54 (О, 730) 23,62 (О,930) ., Рис, 2.10. а - корпус PLCC типоразмера FN (с разрешения Texas Instruments); · · б - знакоместо для PLCC (с разрешения Signetics). .i ПpuмeчaJtue. Размеры даны в миллиметрах.
. ~ Тип корnуса 1 PLCC-20 PLCC-28 PLCC-« PLCC-52 PLCC-68 PLCC-84 PLCC-32 Компоненты и корпуса rc:::J 11 c:::J c:::J G F оо=о ·=о 6 J,t с с C=:J CJ 1 1А5 C=:J Размеры, дюймы (мм) А в с D Е 0,260 0,440 0,090 0,024 0 ,050 (6. 60) ( 11, 18) (2, 29) (О,61) (1.27) 0,360 о' 540 О,090 0,024 0 ,050 (9' 14) (13. 71) (2. 29) (0, 61) (1. 27) 0,560 0,740 0,090 0,024 о. 050 (14,22) (18, 80) (2. 29) (О, 61) (1. 27) 0,660 о. 840 О,090 0,024 0 ,050 (16, 76) (21. 34) (2, 29) (О,61) (1,27) 0,860 1. 040 0,090 0,024 0,050 (21, 84) (26,42) (2, 29) (О, 61) ( 1'27) 1,060 1, 240 О,090 0,024 0,050 . (26. 92) (31. 50) (2. 29) (О, 61) (1, 27) о, 360 0,540 0,090 0,024 0 ,050 (9, 14) (13,71) (2' 29) (О, 61) (1. 27) 37 F G о' 260 0,440 ( 6. 60) (11, 18) 0,360 0,540 (9. 14) ( 13. 71) 0,560 0,740 ( 14. 22) (18,801 0,668 0,840 ( 16. 76) (21. 34) 0,860 1. 040 (21. 84) (26,42) 1 ,060 1,240 (26. 92) (31. 50) 0,460 0,640 (11, 68) (16, 261 Кроме того, разводка выводов у PLCC, выпускаемых разны­ ми изготовителями, не всегда выбирается стандартной, хотя это имеет свои плюсы, как, например, улучшение согласования тем­ пературных коэффициентов расширения материалов компонента и платы в случае использования стеклоэпоксидных плат (что не­ возможно реализовать для стекJiоэпоксидных плат с компонента­ :-.ш 'В керамических корпусах). Выбор той или иной разновидности корпусов PLCC влияет на разработку топологии знакомест на коммутационной плате, что обсуждается в гл. 4. Как правило, корпуса типа SO выбираются для корпусирования приборов с малым ко~1ичеством выводов, поскольку они в целом занимают :\1еньшую площадь, чем эквивалентные им ИС в корпусе PLCC, но для корпусирования БИС и СБИС (ИС большой и сверхболь­ UJой степени интеграции) при возрастающем количестве выводов обычно выбирают корпус PLCC как более эффективный в этом случае.
Рис. 2.11 . а - динамическое ЗУ с произволь­ ной выборк ой ем костью 256 кбит; б - ЗУ емкос тью 512 кбитх4, выполненное в виде моду ля типа SIP с двухсторонней сборкой корпусов PLCC (с разр еше ния Texas Inst- ruments).
Компоненты и корпуса 39 В настоящее время PLCC широко используются многими из­ готовителями микроэлектронных приборов для корпусирования запоминающих устройств с высокой плотностью записи на МДП­ структурах. Один из вариантов конструкции PLCC имеет крутые скосы на крышке и на одном из углов, служащие для ориентации его при сборке и монтаже (рис. 2.11,а). С применением PLCC изготовляются также модули памяти (суперкомпоненты с одно­ сторонней разводкой выводов). При их изготовлении PLCC раз­ мещают и монтируют с обеих сторон платы (рис. 2.11, 6). Безвыводные керамические кристаллоносители. Наиболее распространенным типом керамических корпусов (рис. 2.12 и 2.13) для поверхностного монтажа является LCCC- безвывод- , ной керамический кристаллоноситель (менее распространенный керамический кристаллоноситель с выводами ССС своим проис­ хождением обязан гибридной технологии и технологии монтажа в отверстия). Варианты конструкции LCCC содержат 18 и более выводных контактных площадок (существуют варианты с 20, 28, 44, 52, 68 и 84 контактными площадками, а также специальные модификации с иным числом площадок). Обычно корпус LCCC представляет собой конструкцию, со­ стоящую из трех основных элементов: металлизированного кера­ мического основания, металлической крышки и герметизирую­ щего материала, чаще всего специального припоя. Корпус не соответствует требованиям некоторых стандартов JEDEC: на­ пример, в углах корпуса отсутствуют контактные площадки; кор­ пус имеет два ориентирующих ключа: один из них для оптиче­ ского считывания, второй- в •виде угловой фаски. Эти корпуса выбираются для ответственных применений, например в военной технике, аппаратуре связи и аэрокосмической технике, посколь­ ку они могут быть высокогерметичными. Однако LCCC имеют существенные недостатки. Главным из них, вероятно, является рассогласование температурных коэффициентов расширения (ТКР) корпуса и стандартной стеклоэпоксидной платы, которое способствует образованию и раз1витию дефектов в местах пайки при жестком термоциклировании или высоком уровне рассеивае­ мой мощности. Лучше, чем с эпоксидными, но все же далеко не идеально, LCCC согласуются по ТКР со всеми керамическими платами, которые находят ограниченное применение в технике поверхностного монтажа. Кроме того, этн корпуса относительно дороги в производстве. l(ристаллоносители с выводами. Керамические кристаллоно­ сители с выводами (LDCC/CCC) позволяют решить проблему рассогласования ТКР, хотя они дороже, конструктивно более сложны и пригодны лишь для военных и других ответственных применений:, где стоимость не является основным критерием вы­ бора компонента.
Рис. :2 . 12 . Сложные компоненты для поверхностного монтажа, в том числе в корпусах PLCC с J- образными вы водами и безвыводные керамические корпуса, к ак негерметизированпые, та к и герметизированные (с р азр ешения Texa s Instru- .:~- menls). _ __"'!:_ ...,~•" ·- -···- -
Компоненты и корпуса *о .п ..... о' а б ..... о о о' *~..... о' 41 Рис. 2.13. Квадратные безвыводные керамические кристаллоносители: а~ низ~ кого профиля типа FK; б - дешевый корпус типа FH (с разрешения Tex'as , Iпstruments). - Примечания. 1. Звездочкой отмечены типичные значения. 2. Размеры даш:I в дюймах. Изготовители, например Texas Instruments и др., при обосн0:­ вании своих разработок склоняются к учету следующих особен­ ностей конструкций корпусов: • Керамический корпус с выводами по четырем его сторонам: (тип CERQUAD) является довольно близким прототипом ши­ роко распространенной конструкции керамического корпуса типа DIP, но ииеет J-образные выводы или выводы в виде крыла чайки. Несмотря на некоторые отклонения в реализа­ ции конструкции LDCC разными изготовителями, вариант корпуса с J-образными выводами рассчитан на такую же то­ пологию знакоместа, что и PLCC. Таким образом, керамиче­ ский кристаллоноситель с выводами становится керамическим эквивалентом пластмассового кристаллоносителя с выводами. Иногда возникает необходимость в изготовлении других ва­ риантов керамических корпусов, как, например, с выводами в виде крыла чайки. Выводная рамка в этом случае размеща­ ется между верхней и нижней частями керамического осно­ вания и герметизируется композицией из стекла и металла.
--- . 42 rnaвa 1 • Безвыводной керамический кристаллоноситель может быть модифицирован путем крепления к основному носителю внеш­ ней выводной рамки с помощью пайки. Крепление рамки в этом случае осуществляется либо к выступам по бокам кри­ сталлоносителя либо пайкой золото-оловянным припоем к верхней или нижней поверхности корпуса. Существует несколько проблем в применении керамических кристаллоносителей с выводами по сравнению с такими же но­ сителями без выводов. При монтаже керамических кристаллоно­ сителей с выводами упрощается контроль качества паяных со­ единений, однако под действием капиллярных сил значительная часть припоя затекает на J-образные выводы, обедняя тем са­ мым контактные площадки коммутационной платы. Но более серьезным недостатком корпусов LDCC является то, что они имеют большую массу и большие посадочные размеры, чем их безвыводные эквиваленты. Так, корпус LDCC с лужеными J-об­ разными выводами на 0,035 дюйма (0,889 мм) выше, чем безвы­ водной керамический кристаллоноситель, а корпус CERQUAD с J-образными выводами на 0,085 дюйма (2,159 мм) выше своего безвыводного эквивалента. Вес также является важным фактором: CERQUAD, в срав­ вении с его эквивалентом без выводов, может иметь вес в три раза больший, но в то же время изготовление CERQUAD может стоить на 10% дешевле безвыводного керамического кристалло­ посителя. На производство кор1пусов с лужеными выводами из­ rотовителям дается 50%-ная дотация. Вероятность деформации , и повреждения корпуса с такими выступающими выводами су­ щественно возрастает в ходе традиционных процессов автома­ тического монтажа с вытекающими отсюда требованиями копла­ нарности выводов во время установки. Тем не менее проблема рассогласования по ТКР при исполь­ зовании безвыводных корпусов вынуждает отдавать предпочте­ ние некоторым разновидностям керамических кристаллоносите­ лей с выводами, если число выводов корпуса превышает 44. Для многовыводных компонентов (с 68 и более выводами), по мне­ нию специалистов, больший интерес представляют корпуса с лу­ жеными выводами в виде крыла чайки. Однако, судя по прогнозам, разработчики изделий со сверх­ многовыводными компонентами (при очень малом шаге выво­ дов) столкнутся с серьезными проблемами, связанными с пай­ кой. Именно поэтому [если шаг выводов, скажем 0,010 дюйма (О,254 мм) ] традиционные методы сборки и монтажа должны, по-видимому, будут уступить место таким, в которых использу­ ются проводящие адгезивы или лазерная пайка расплавлением дозированного припоя.
Компоненты и корпуса 43 КОРПУСА ДЛЯ КОМПОНЕНТОВ НЕПРАВИЛЬНОЙ ФОРМЫ Индуктивности. Если оценивать ситуацию корректно, приме­ нение индуктивностей, простых (одновитковых) или многовитко­ вых, является наиболее проблематичным, потому что в настоя­ щее время не существует никаких стандартов, способствующих совместимости их конструкций с техникой поверхностного мон­ тажа. Этот недостаток становится существенным, потому что параметры индуктивности часто зависят от наличия и габаритов прочих компоненrов, их формы и топологии. В настоящее время члены Ассоциации техники поверхностного монтажа в США под­ готавливают предложения по стандартизации габаритных и при­ соединительных размеров катушек индуктивности, которые пред­ полагают сведе·ние всех приборов к двум основным группам ти­ поразмеров: корпус «А» (для индуктивностей 100 мкГн и менее) и корпус «В» (для индуктивностей 100-1000 мкГн). Кроме того, несомненно, появятся еще какие-то варианты конструкций корпусов, рассчитанные на удовлетворение всех тре­ бований заказчиков. Существует два основных вида реализации индуктивностей: проволочные и тонкопленочные многослойные. Первые используются более широко и, как правило, более деше­ вые, вторые же более устойчивы к помехам и применяются в СВЧ-устройствах, где размер является критическим показателем. В заказах на поставки индуктивностей для поверхностного монтажа ·нужно указывать следующие данные: • значение индуктивности; • разновидность индуктивности (постоянная или переменная); • допустимую нагрузку по току; • добротность; • технологическую совместимость с процессами поверхностного монтажа (особенно с технологией пайки и очистки); • направление намотки; • конфигурацию выводного контакта; • тип покрытия - герметизирующее или конформное, если та­ ковое используется; • допустимую степень электрического взаимодействия с сосед­ ними компонентами (с другими индуктивностями или даже с коммутирующими дорожками и припойными площадками пла­ ты) посредством взаимоиндукции. Переключатели. В то время как огромные усилия затрачива­ ются на разработку миниатюрных корпусов для активных и пас­ сивных компонентов с целью полной реализации преимуществ ТПМК (например, эффективного использования несущей платы), зачастую, и в этом есть доля иронии, в конечном счете размер сборки определяется габаритами других более крупных компо­ нентов, например переключателей и соединителей.
44 Глава 2 Рис. 2.14 . Переключатели в исполнении для поверхностного монтажа проюв6д- . ства фирмы Augat (с разрешения Augat Corp.) . · В настоящее время такие компоненты в исполнении, совме­ стимом с техникой поверхностного монтажа, уже производятся; убедительными примерами являются двухпозиционный переклю­ чатель (тумблер) и программируемые переключатели в корпусе DIP производства фирмы Augat (рис. 2.14). Тумблеры, разрабо­ танные для поверхностного монтажа, имеют герметичную кон­ струкцию, рассчитанную на пайку волной и расплавлением до­ ~ированного припоя в паровой фазе, · а также на очистку водой либо органическими растворителями. Они имеют пластмассовые, нолностью герметизированные корпуса. Значение номинального тока для таких тумблеров составляет примерно 1 А. В сборках, выполненных с использованием ТПМК, часто тре- . буют ся переключатели в корпусе DIP, например для коммутации шин или программирования режима работы схемы. Иногда для управления электрической нагрузкой применяется ползунковый переключатель на резисторной матрице. Одно переключающее устройство в корпусе DIP производства фирмы Augat, совмести­ мое с техникой поверхностного монтажа, способно заменить ре­ зисторную матрицу со смонтированным на ней переключателем. Благодаря керамической подложке переключатель выдерживает температуру пайки до 245 °С в течение 30 с; переключатель мож­ но промывать водой или органическими растворителями без до­ полнительной герметизации с помощью специальной ленты.
Компоненты и корпуса 45 ВЫБОР КОРПУСА Выбор размеров компонентов. Существует ряд факторов, ко· торые влияют на выбор элементной базы для ТПМК. Бели гово­ рить о поставках, то целесообразно всегда иметь не менее двух поставщиков данного компонента. Что касается обозначения ком­ понентов, например тип 1206, то здесь можно ошибиться при выборе нужного типоразмера, поскольку нередко из-за недоста­ точного уровня стандартизации в области ТПМК компоненты с одинаковым обозначением имеют различные размеры и/или функциональное назначение. Важнейшими размерами при выборе компонентов являются следующие: • Габаритные размеры (влияющие на топологию знакоместа компонента). _ • Ширина вывода (влияющая на топологию знакоместа компо­ нента). • Допуск на шаг выводов [не должен превышать +0,002 дюйма (+О,05 мм), в противном случае возможны перемычки припоя или неправильное совмещение]. • Допуск на совмещение вывода при посадке (позиционирова­ нии) компонента (должен быть меньше ±0,002 дюйма (+0,05 мм) от номинальной посадочной позиции для одного совмещения, с тем чтобы исключить возможность деградации качества паяного соединения). • Величина зазора между компонентами и коммутационной платой (приемлемые значения обычно эмпирическим путем определяются пользователем). ЗаЗор влияет на эффективность очистки платы после монтажа, что связано с возможностью проникновения растворителя под корпуса компонентов. Он также влияет на интенсивность отвода тепла от компонента к плате- уменьшение зазора может привести к ухудшению рассеивания тепла в зонах перегрева. Для качественной очист­ ки смонтированных коммутационных плат зазор должен быть примерно 0,025 дюйма (О,635 мм). И тем не менее этот воп­ рос все еще остается спорным: многие компоненты произво­ дятся с расчетом на зазор 0,010 дюйма (0,254 мм) и менее. Выбор материалов. Несмотря на то что ТПМК не диктует особых изменений в требованиях к рабочим материалам, необ­ ходимым для обеспечения нормального функционирования ком­ понентов, сам факт использования нетрадиционных технологиче­ ских процессов в ТПМК можно связывать с непригодностью не­ которых материалов для применения в новой технологии. Так, в частности, в процессах пайки коммутационные платы получа­ ют короткий высокотемпературный тепловой импульс. Очистка смонтированных плат, осуществляемая на ·более поздних стади•
- 1 46 Гпава 1 ях изгот о вления и з делия, может оказать слишком сильное кор­ ро д ирующее воз действие на применяемые материалы. Если из­ готовитель и з делий имеет какое-либо основание полагать, что любой из этих процессов окажет деградирующее влияние на материалы, то ему следует это проверить эксперименталь·но. Ре­ комендуется также при ра з работке и зделий с применени ем ТПМК учитывать следующее: • Деградация детали (корпуса) компонента может иметь место даже тогда, когда температура пайки расплавлением дозиро~ ' ванного припоя меньше температуры .эксплуатации компонен­ та вследствие сочета н ия влияний нескольких факторов при пайке , в том числе и с учетом разновидности конструкции кор­ пуса. Так, например, замечено, что тонкостенная конструкц ия может деформироваться при пайке, а монолитная не изме­ няется . • В процессе пайки расплавлением доз ированного припоя ха- , рактеристики технологической среды обычно поддерживаются 1. постоянными (например, тем·пература пайки), но во время ( ремонтных операций возможен непредсказуе м ый локальный 1 разогрев изделия (компонента) от пистолета для демонтажа 1.·• или паяль н ика. • Вспомогательные тех нологические материалы , такие, как за­ медляющие горение добавки, катализаторы, м а сла, пигменты ! и др., могут существенно ухудшать свойства основных мате­ риалов и з делия. • Для увеличения механической прочности и температурной ста­ бильности к термопластическим материалам добавляются спе­ циальные наполнители, например углеволокно; в этом случае удельное сопрот и влен и е материала может снизиться. С дру­ гой стороны, проводящие добавки обеспечивают экранирова­ ние изделий от электромагнитных помех. Сравнительный анализ J-образных выводов и выводов в виде крыла чайки. Если предположить, что сложные корпуса сущест­ вуют в нескольких вариант а х с ра з личны м и конструкциями вы­ водов, встает вопрос: какой корпус выбрать в конкретном случае? Достоинства выводов в виде крыла чайки основаны преиму­ щественно на их высокой контролепригод ности, потому что места пайки хорошо просматриваются . Вывод такой формы легко са­ мопозиционируется и обесп е чивает плотное прилегание к плате. Однако в этом случае в оз растает площадь, занимаемая компо­ нентом (вместе с вывод ами) на плате. Кроме того, такие корпу­ са с большим числом выводов сложны в изготовлении, а сами выступающие выводы могут повреждаться во время транспорт­ ных и сборочно-монтажных операций. Плоские корпуса со шлей­ фом подобных выводов по всем четырем сторонам часто нужда-
Компоненты и корпуса 47 ются в некоторого рода временной фиксации с помощью оправки на период пайки. При J-образной форме вывода получаются меньшие размеры корпуса и его знакоместа; такие выводы в значительной степени устойчивы к повреждениям при транспортировке и достаточно легко самопозиционируются. Кроме тогр, корпуса с J-образными выводами относительно легко вставляются в специальные кон­ тактные панельки, а выводы, в принципе, обладают достаточно высокой упругостью в местах пайки, для того чтобы скомпенси­ ровать рассогласование по ТКР материалов корпуса и подлож­ ки. Недостатком корпуса с J-образными выводами является значительно меньшее прилегание к плате, что хорошо с точки зрения очистки, но не желательно с точки зрения отвода тепла. Изготовители указывают также на необходимость принятия сепециальных мер при выполнении пайки. Так, например, J-образ­ ные выводы требуют нанесения на плату большего количества лрипойной пасты, чем в случае соединения почти параллельных· плоскостей (контактной площадки платы и вывода). Еще одним, хотя и менее распространенным, является вывод для пайки встык (!-образный). По своим достоинствам он, вероятно, сравним с J-образным выводом, но его упругие свойства остаются предме- том дискуссии. Возможность использования корпусов с вывода­ ми для пайки встык со специальными контактными панельками (включая спрос потребителей) в настоящее время не проанали­ зирована. Можно предполагать, что при освоении корпусов для ТПМК с выводами еще не исключены непредвиденные осложнения в условиях производства изделий. Американский консультант Джон У. Болд, специалист в области технологии монтажа микро­ сборок, указывает, что места соединения тела корпуса с собст­ венными выводами не всегда обладают ожидаемой упругостью. Пользователи изделий иногда обнаруживают, что J-образные выводы оказываются жесткими и утопленными в теле корпуса. В процессе пайки упругость выводов может существенно умень­ шиться (например, у выводов в виде крыла чайки), поскольку избыточное количество припоя нередко приводит к образованию вокруг вывода жесткой оболочки из припоя. Болд отмечает, что для уменьшения жесткости выводов после пайки необходимо, что­ бы гибкая длина вывода составляла не менее 0,060 дюйма. Безвыводные корпуса могут иметь много выводных контакт­ nых площадок и обеспечивают высокую плотность монтажа, но и здесь существуют проблемы, связанные, например, с несогла­ сованностью ТКР контактирующих материалов. По этой причи­ не, в частности, безвыводные керамические кристаллоносители обычно не применяются для коммерческих изделий. Тем более, что с повышением рассеиваемой мощности габариты корпуса увеличиваются. Даже если корпус и плата выполнены из одного
-- 48 rnaвa 2 Таб.11ица 2.1 . Достоинст•а и недостатки материапов жестких выво,11.ов корnусов компонентов дпя ТПМК Материап Палладий - се­ ребро Лужёный палла­ дий - серебро Достоинства Устойчив к растворению в припое Замедляет окисление Имеет замедленную ско­ рость электромиграцни Се­ ребра Практич е н Н едефи цитен Недостатки Недостаточно химически н ейтрален С ложн ое управление про­ цесс;ом наиесеиия Л егко паяется Устойчи в к растворению пр ипое Ме нее устойчи в к растворе­ в нию в припое, чем не лу­ жёный палладий - серебро ско- Затруднен контроль тол­ се- щины Им еет З'!медленную рос ть электромиграции ребра Никель (лужё­ ный) Хорошая паяемость Большой срок сохран11ости Не растворим в припое Затруднен _ контроль тол- :j - щины '· Затруднено применение с ~ ­ автомат ами-укладчиками , :1аедостаточен объем выnус- _; Никель (плаки- Хорошая паяемость рованный при- Н е ра с творим в припое поем) Упрощен контроль толщи­ ны Пригоден для - применения с ав то матическим оборудо­ ванием Небольшой срок сохранно­ сти Недостаточен объем вы- пуска Примечание. Лужение оriре деляется как нанесение расп11ав11ен·ного припоя поверх слоя -металлизация, - Источник: Kyocera lntern ationa l Inc. и того же материала (например, керамики), результат не всегда будет положительным, поскольку оба объекта будут иметь ра з ­ ную температуру при эксплуатации изделия, а картина термиче- 1:ких напряжений в месте пайки будет меняться в зависимости от изменения рассеиваемой мощности и соответствующего рабо­ чего температурного режима компонента. Болд советует воздер­ живаться от использова н ия керамИ:ческих корпусов на керами­ _Ческих платах, если изме н ение значения рассеив а емой мощности превышает 3 Вт, а небольшие корпуса без теплоотво да рекомен­ дует для устройств с мак симальной рассеив а емой мощностью 4 Вт. Вероятно, частичным решением этой проблемы могло бы стать присоединение к безвыводным корпусам выводов из легко­ плавкого припоя непосредственно перед сборкой, но это приве­ ло бы к дополнительным расходам у конечного потребителя. р
1 Номпоненты и корпуса В настоящее время три организации разрабатывают техноло­ гию формирования жестких выводов из тугоплавкого припоя для: безвыводных корпусов: АТТ (технология шарикового вывода для: пайки оплавлением дозированного припоя и столбикового выво­ да, получаемого из одного материала), Hitachi (технология стол­ бикового вывода некруглого сечения) и Raychem (технология­ столбикового вывода из припоя при двухэтапном его формиро..: вании). Имеется большой выбор материалов для изготовления вы­ водных контактных площадок корпусов. Основные материалы" а также их достоинства и недостатки приведены в табл. 2.1 . По­ видимому, самым распространенным материалом является ком­ бинация палладий-серебро. Сейчас в промышленности, связан­ ной с ТПМI(, существует тенденция стандартизации состава по­ кровных материалов. Широко применяется плакирование нике­ левого барьерного слоя припоем с содержанием олова 60 или 63% методами покрытия расплавом припоя или нанесения при­ поя в твердом состоянии. Покрытия припоем, независимо от ме­ тода формирования (из расплава или нанесения твердого спла­ ва), увеличивают срок хранения изделий. Кроме того, нанесение­ припоя в твердом состоянии позволяет сохранять заданное соот­ ношение олова и свинца в составе припоя. В настоящее время большинство изготовителей элементноа базы поставляют подавляющую часть кристаллоносителей с пал­ ладиево-серебряными нелужеными и (или) лужеными контакт­ ными площадками. Однако выпуск основного альтернативного­ варианта корпуса с контактными площадками, имеющими ни­ келевый барьер, сравнительно ограничен, поскольку изготовле­ ние керамических компонентов, полностью совместимых с про­ цессом плакирования, связано с определенными трудностями. Контактные панельки для кристаллоносителей. Иногда раз­ f)аботчик считает удобным использовать контактные панельки­ для размещения в них больших квадратных корпусов типа кри­ сталлоносителей, как безвыводных керамических, так и пласт­ массовых с выводами. Применение панелек (в случае панелек с выводами) дает возможность одновременной пайки волной при­ поя всех компонентов, когда сборка содержит компоненты для монта:Жа в отверстиях, а плата - сквозные отверстия. Следова­ тельно, компоненты для ТПМI( можно размещать в панельках. Панелька также облегчает быструю замену компонента и ре­ монт изделия, что особенно удобно на этапе макетирования._ Однако этот метод обладает очевидными недостатками, посколь­ ку преимущества техники поверхностного монтажа здесь факти­ чески не используются, и выигрыш, который она может дать в_ плотности монтажа на плате, не реализуется. Кроме того, в опре­ деленных условиях могут возникнуть проблемы теплоотвода, по- 4-1533
- 50 Гnава 2 Рис. 2.15. Контактные панельки для кристаллоносителей пронзводства фнрмЬI Augat (с р аз решения Augat Corp .) . скольку зоны, рассеивающие тепло корпуса, не всегда находятся в хорошем контакте с платой. Безвыводные кристаллоносители производятся фирмой Augat Int. и другими компаниями, которые предпринимают ряд мер для решения вопросов монтажа этих компонентов с применением па­ нелек. Так, фирма Augat выпускает панельки серии CCS с 52, 68 и 84 контактами; панельки снабжены шарнирно закрепленной крышкой для удержания прибора. Эти констр у кции (в частности, на рис. 2.15) открыты с боковых сторон для обеспечения рас­ сеяния тепла и доступа контрольно-испытательной аппа·ратуры. Кроме того, на крышке такой панельки можно установить на­ стоящий теплоотвод. Внешние выводы (содержащие припой), которые позволяют рассматривать эту несущую конструкцию (па­ нельку) как устройство для ТПМК, монтируются на плате пай­ кой расплавлением до зи рованного припоя и облегчают осмотр паяных соединений. · 06ЪЕМЫ ВЫПУСКА КОРПУСОВ Объем выпуска корпусов для ТПМК, несомненно, важно учи­ тывать как в процессе конструирования коммутационных плат, так и при разра'ботке технологии производства изделий. Ситуа-
·----------------------- • Компоненты и корпуса Прочие компоненты Программируемые логические матрицы ~ 1984, о 1986 Дискретные полу·про- !=" " " " " ' --- . водникоеые приборы моп ис Биполярные ИС о 1000 3000 5000 7000 9000 Количество типов элементов 5~ Рис. 2.16. Динамика роста номенклатуры полупроводниковых компонентов­ в исполнении для поверхностного монтажа (Источник: D. Browп Associated Iпс.). Тиn устройства Непрограммируемые матрицы на СБИС и УБИС Микропроцессор со статичес­ кой памятью и периферией Логические матрицы,программи­ руемые изготовителем и пользо­ вателем_ ЗУ с произвольной выборкой ПЗУ, СППЗУ ТТЛ ИСсериИ 54 и 74 и КМОП ИС Цифровые ИС сери и 75 и аналоговые ИС Гибкие кабели Переключатели, оптоэлектрон­ ные приборы и др. Диоды и транзисторы Резисторы е2222222222221 ________ Более 200/ р222222222222222еа 64 =------l!:J-.0 .0 80 __1z22222221 ___ 1222222221 ____1!1 40 p222azn ____ :_ _li!J 40 IZZ?ZZZ??il ________li!I 40 V?Z??2?272?227?2??77??7?77??7?72?ZZZ??Z??l2?22?77???74 V22???7??2Z?Z?Z???I р222222222222222221 !Z?Z??Z!ZZZZZZZZ?Zd 234681416202428325080100 256· Количество выводов Услое.н.ые обозначения tzzг22гo е основном серийные ИЭАеЛltl\ ------- в стадии разра6отки Рис. 2.17. Количество .выводов у различных устройств в нсполненнн для по­ верхностного монтажа (Источник: McDoпald Automatioп). 4*
- 52 r11ава 1 Таблица 2.2 . ·Формы упаковки компонентов в ТПМК Тип 1tорпуса Чипы (прямоугольные или цилиндрические) SOT SOIC К.ристаллоноситель с вы­ водами (PLCC с J-образ­ ными выводами) К.ристаллоноситель с вы­ водами (PLCC с выво­ дами в виде крыла чай­ ки) Безвыводный лоноситель крист ал- • • • • • • Форма иоставки 'POCCS!ПolO ••• ••• ячеечный wаrазии ~ • ИС-шииа (пенал) • • • *) Лента становится доминирующим стандартом упажовки компоиентов. "*) Может потребоваться определение полярности н наэюаченне выводов непосредственно перед монтажом. · ция, касающаяся объемов выпуска компонентов для ТПМК, по­ стоянно меняется, и, как показано на рис. 2.16, некоторые ком­ поненты, например ИС на биполярных транзисторах, представ­ лены большим числом типономиналов. Однако о заказных ком­ понентах, выпускаемых небольшими партиями, сведений мало. Можно также отметить большое разнообразие вариантов ис­ полнения компонентов для ТПМК. (рис. 2.17). СПОСО6Ы УПАКОВКИ КОМПОНЕНТОВ Компоненты должны поставляться в такой форме упаковки, которая обеспечивает эффективную и дешевую сборку (табл. 2.2). Форма упаковки должна быть совместима с имеющимся сбороч­ но-монтажным оборудованием. Изготовители автоматов-укладчи­ ков компонентов в настоящее время внедряют стандарт на фор­ му упаковки в виде гибкой ленты, рассчитанной на все типы корпусов, за исключением PLCC с выводами в форме крыла чайки, которые поставляются в магазинах типа ИС-шина. При­ менение ячеистых магазинов ограничено небольшими объемами монтажа данного компонента, а также теми случаями, когда по­ требитель не желает омертвлять капитал, т. е. не создает боль­ шого запаса компонентов. Поставка россыпью не отвечает требованиям автоматическо­ го монтажа, за исключением чипов (включ-ая MELF), не требу­ ющ~х контроля полярности. Поставка безвьrводных корпусов
Комnоненты и корnуса 53 россыпью, а корпусов с выводами, упакованных в ячеистые ма· rазины, характерна для ремонтных станций. Обычно применяются два типа ленты: бумажная и пластмас­ совая. В бумажной ленте выру.баются отверстия, в которых фик­ сируются компоненты; с обеих сторон бумажной ленты на ком­ поненты накладывается прозрачная гибкая майларовая лента. Лента снабжена перфорированными отверстиями для подачи компонента в автомат. Относительно недорогие бумажные лен­ ты имеют ряд недостатков: в результате истирания при размот­ ке отделяются бумажные волокна, которые могут нарушить сбо­ рочно-монтажные операции. В отличие от бумажной пластмас­ совая лента имеет выпрессованные подушкообразные полости, в которых фиwсируются компоненты. Дополнительную фиксацию осуществляет покровная лента из майлара. Размеры катушек для лент установлены международным стандартом: их диаметр колеблется от 180 до 325 мм в зависи­ мости от ширины лент, изменяющейся в диапазоне от 8 до 57 мм. . ( (Более подробно форматы упаковки на ленте для автоматиче- ской сборки рассмотрены в гл. 7.) СТдНДАРТИЗдЦИЯ КОМПОНЕНТОВ Как и при освоении .традиционного монтажа, в ТПМК повто­ ряется неблагоприятная ситуация, касающаяся стандартизации компонентов. Должная степень стандартизации имеющихся кор­ пусов отсутствует, а между тем разнообразие их конструкций· все увеличивается. В настоящее время трудно назвать какой-либо компонент, не имеющий разнообразия реализаций. Даже пассив­ ные, самые простые компоненты (чип-резисторы и чип-конденса­ торы) одного номинала выпускаются в разном исполнении. Более того, компонент типа 1206, содержащий в своем обозначении размерные данные, выпускается в нескольких вариантах, отли­ чающихся габаритными размерами. В настоящее время по край­ ней мере три ор-ганизации-JЕDЕС, SEMI*) и EIAJH), на ряд компонентов выпустили несколько стандартов, ·не согласующих-. ся между собой - и это в дополнение к различным конструкциям изделий произ•водитеJiей компонентов по заказам. Различия в -конструкциях компонентов могут проявляться: • в конструкции корпусов для одних и тех же чипов и, как след­ ствие,- в способах теплоотвода и электрических характери­ стиках; • в размерах корпусов и, как следствие,- в топологии знако­ мест; *> Semiconductor Equipment, Material Institute - Институт оборудования и материалов для полупроводниковой промышленности, США. **> Electronic Industries Association of Japan - Японская ассоциация элект­ ронной промышленности.
.... 54 Гn1в1 1 Таблица 2.3. Примеры rабаритиых размеров корпусов пассивных компонеитов для ТПМI( Изготовители Габаритные размеры Характеристики Резисторы Alleп Brad\ey О,6Х 1,6Х3,2 мм 0,125 Вт Corniпg 0,5Xl,55X3,I мм О,125 Вт при 70 °С Rohrn О,55Х2,6Х3,2 мм 0,25 Вт при 70 °С Sprague О,08ХО,3ХО,395 дюйма 0,5? Вт при 70 °С (2,03X7,62XI0,03 мм) Конденсаторы Jaro 3,1Х4 ,5Х5,6 мм 0,1-66 мкФ, 4-35 В Johaпsoп О , 09ХО,165ХО , 18 дюйма 0,8-2,5 пФ, 250 В (2,29Х 4,20Х4,57 мм) К:уосеrа 1,8Х4,5Х3,2 мм 1,5-5 пФ Мерсо O,llOX0,15X0,285 дюйма 0,1-100 мкФ , 4-50 В (2,79Х3,81Х7,24 мм) Murata Eri e О, 6Х2,5Х3,2 мм 150 000-330 ООО пФ, 25 В Переменные резисторы Bourпs 2,4Х4Х4 мм 0,2 Вт при 70 °С, 0,005-1 МОм Da\.e О,063ХО,075ХО , 189 дюйма 0,2 Вт при 70 °С, (l,60Xl,90X4,80 мм) 0,001-1 МОм Реле Coto О , 18ХО,23ХО , 75 дюйма 200В;0,5А (4,57Х5 ,84Х 19,05 мм) Gordos О, 26ХО,26ХО,75 дюйма 500В;1А (6,60Х6,60Х 19,05 мм) Hasco О,205ХО,24ХО,75 дюйма 100В;1А (5,21X6,IOXl9,05 мм) Ornroп 7Х9,9Х 15,9 мм 24В;1А • в размерах выводов и, как следствие,- в топологии знако­ мест; • в несовпадении электрических параметров (например, номи­ нальной мощности рассеяния у резистора, рабочего напряже­ ния у конденсатора, шумовых характеристик); • в исполнении выводных контактов (разные покровные мате­ риалы) и, как следствие,- в паяемости; . • в корпусном исполнении компонентов, производимых двумя изготовителями, и, как следствие,- в требованиях к сбороч­ но-монтажным операциям; • в чувствительности корпусов к технологическим процессам монтажа (общие требования ·в этом случае можно сформулн-
Таблица 2.4 . Предложения по стандартизации Ассоциации техники поверхиостиого монтажа* Объект стандартизации к общие технические требования Контакты корпуса Плакирование оловянно (60-63% )-свинцовым припоем толщиной не менее ЗОО мкдюйм (7,62 мкм) либо лужение. При этом пайка должна произво­ диться методами оплавления дозированного припоя. Если подслой припоя содержит драгоценный металл, должен использоваться никелевый барьер толщиной не менее 50 мкдюйм (1,27 мкм). В случае чип-резисторов и кера­ мических конденсаторов припой должен полностью покрывать торцевые кон­ такты компонента Пайка Компоненты должны выдерживать 10 циклов пайки в паровой фазе продол­ жительностью не менее 60 с каждый при температуре 215 °С с предваритель­ ным подогревом до 80-100 °С в течение 30 с. Компоненты должны выдер­ живать погружение в припой при температуре 260 °С продолжительностью не менее 10 с Очистка Компоненты должны быть устойчивыми к воздействию фреона TMS продол­ жительностью не менее 4 мин, включая ультразвуковую очистку в течение не менее 60 с Пассивация Реномендуется пассивация нитридом кремниJ1 Маркировка Пассивные компоненты должны маркироваться в соответствии с номиналь­ ным значением их основной характеристики. Для микроэлектронных прибо­ ров предстоит разработать коды Конструкция корпуса По стандартам JEDEC только применитеЛьно к микроэлектронным приборам Чип-резисторы 0,125 Вт при 70 °С (отсутствие рассеяния тепла при температуре окружаю­ щей среды 125 °С), 200 В; допустимое отклонение номинального сопротивле­ ния: ±1% при TК:C=lOO·l0- 6 град- 1 и ±5% при ТК.С=200·1О- 6 град- 1 ; в качестве стандарта предлагается корпус типоразмера 1206 (см. рис. 2.18) Керамические конденсаторы В качестве стандарта предлагаются корпуса типоразмеров 0805, 1206, 1210 и 1812 (см. рис. 2.19) Танталовые конденсаторы См. рис. 2.20 Проволочные индуктивности Введены типоразмеры А и В (см, рис, 2.21) Дискретные полупроводниковые приборы ТО-236 (SOT-23), зазор между компонентом и платой 0,002-0,006 дюйма (О,05-0,15 мм) (см. рис. 2.22) ТО-243 (SOT-89) (см. рис, 2,23) SOT-143 (см. рис. 2.24) Конструкция и габариты по стандартам JEDEC с копланарностью выводов 0,004 дюйма (0,10 мм)
56 rмвв 2 ПродоМJ&ение Объект стандартизации и общие техниче ские требования Рассмотрение других вариантов корпусов подобиых компонентов нецелесооб­ разно Аналоговые и цифровые ИС (Для корпусов ИС с числом выводов 8-84; к корпусам для ИС памяти ие относится .) Корпуса SOIC с медными выводными рамками (по стандарту JEDEC) с учетом 0,004 дюйма (0 , 10 мм) на копланарность выводов . То лько для корпусов, имеющих ширину 0,150 дюйма (3,81 мм) или 0,300 дюйма (7,62 мм) PLCC (по стандарту JEDEC) - только для вариантов с 28, 44, 52, 68 11 84 выводами LDCC - только для варЕаитов с J-образиыми выводами , топология зна- комест а совпадает с PLCC *J Составлен ы на основе те х ни ч еских требований фирмы Hewlett-Packard и SMTA (Подкомитета по стандартизации компонентов Ассоциации техники поверхностного мон­ тажа). ровать только для методов пайки расплавлением дозирован­ ного припоя); , • в материалах покрытия тела корпуса и, как следствие, - в возможных трудностях на этапе сборки, например при ис­ пользовании адгезивов в условиях отсутствия стандартизации маркировки компонентов в международном масштабе. Несколько примеров подобных различий можно найти в табл. 2.3 . Эти различия могут иметь далеко идущие последствия. На ­ пример, различие топологии знакомест оказывает влияние не только на процесс сборки коммутационной платы, но так:Же на проектирование ее топологии, поскольку при этом требуется из­ менение библиотеки компонентов в САПР. Возможно также ухудшение условий испытаний и з готовленной схемы (например, усложнение доступа зонда) . Незначительные конструктивные различия могут вызвать большие трудности: различие длины вы­ водов компонента или формы соответствующих знакомест может оказать влияние на гибкость выводов во время пайки вследствие неодинаковой скорости отверждения припоя на разных участках выводов. В табл. 2.4 представлены предложения, разработанные фир­ мой Hewlett-Packard (г. Санта-Роза, Калифорния, США) в со­ трудничестве с Ассоциацией техники поверхностного монтажа США, по стандартизации некоторых основных лараметров наи­ более распространенных компонентов, монтируемых на поверх- · ность платы.
Компоненты и корпуса IZU 11 11н Бо~овая часть контакта f не· обязательна и L w z 57 Размеры, мм (дюймы) МИН'. макс. 0,41 (0,016) 0,76 (0,030) 3,00 (0,118) 3,36 (О,132) 1,45 (0,057) 1,75 (0,069) 0,25 (0,010) о, 76 (0,030) Рис. 2.18 . Стандартизация размеров чип-резистора (с разрешения Hewlett- Packard). Упаковка в ленту L ·1 Типоразмер 1" корпуса ширина леи- шаг компо- ·ты, мм нентов, мм 30805 8 4 1206 8 4 1210 8 4 1812 12 8 1 z Типоразмер! J корпуса L, мм 1 w, мм 1(ма~с.),1 Z,мм мм 11 113 0805 2±0,2 1 ,2±0,2 1 '3 О, 25-0, 7 1206 3,2±0,2 1. 6±0, 2 1. 5 о, 25-0, 7 1210 3,2±0,2 2,5±0,2 1 '7 0,5 -0,75 1812 4, 5±0,3 3,2±0,2 1,7 о, 5-0, 75 Рис. 2.19.. Стандартизация I(ерамических чип-конденсаторов (с разрешения Hewlett-Packard). Эти предложения охватывают семь классов компонентов для ТПМК: чип-·резисторы, керамические конденсаторы, танталовые конденсаторы, проволочные индуктивности, дискретные полупро­ водниковые приборы, аналоговые и цифровые интегральные схе­ мы (рис. 2.18-2 .24). Предложения распространяются на кон­ струкции корпусов, получивших широкую поддержку на рынке и предназначенных преимущественно для коммерческих, а не специальных применений. Такой отбор преследовал прагматиче­ ские це.~и: предпочтение отдавалось конструкциям, получившим наибольшее одобрение потребителей по соображениям приемле-
58 Группа L, мм н. мм А 3,2±0,2 1, 6±0,2 в 3, 5±0, 2 1,9±0,2 с 6,0±0,3 2 ,5±0,3 D 7,3±0,3 2 ,8±0,3 Рис. 2.20. Стандарти з ация rnaвa 1 Рабочее Группа напряже- нне, В А 35 в 35 2Q с 35 20 10 D 35 20 10 !\ласе точности: 20% и муму) м W,мм (мни.), У, мм. z. мм мм 1, 6±0,2 0,2 1, 2±0, 1 0,8±0,3 2,S±0,2 0,2 2. 3±0, 1 0,8±0,3 3.2±0.3 0,2 1.8±0.1 1 ,3±0,3 4,3±0.3 6,2 2. 4±0, 1 1,3±0. 3 Емкость (макс.), мкФ 0,22 1,0 3,30 2.2 6,8 10,0 6,8 22,О 33,О 10% (по мини- Упаковка в ленту ~ о:;: " с:;: :;: ~~о- "" :.:§ с. ~~ =.: 3;: 3~ 8 4 8 4 12 8 12 8 размеров танталового чип-конденсатора (с раз ре- шення Hewlett-Packard). мого качества и надежности перед конструкциями, обладающи­ ми чисто техническим преимуществом, но не получившими ши·. рокой поддержки. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ КОРПУСИРОВАНИЯ Техника корпусирования компонентов поверхностного монта­ жа продолжает развиваться, и все время появляются новые кон­ структивные варианты. Это стимулируется постоянно усложняю· щимися требованиями изготовителей СБИС, которые, с одной
Группа А в 1 Компоненты и корпуса L, мм н, мм w. мм 3,:но.2 2,2±0,3 2 .4±0,4 4,5±0,3 3 .2±0,3 3,2±0,2 м (мин.), мм 0,2 0,2 Груnпаl К:ласс точ- ностн, ~/о А 5 10 в 5 10 У, мм z. мм 1,8±0,2 0,5±0,3 2,5±0,2 0,5+0,3 59 1 Индуктнв- кость (макс.), мкГн 0,82 10(), о 1ООО, О 1000,0 Упаковка в ленту ши-1 шаг рниа компо ленты нентов 8 12 4 8 Рис. 2.21 . Стандартизация индуктивностей (с разрешения Hewlett-Packard). 10 3~ Размер, мм (дюймы) МИН'. макс. А 2,80 (0, 110) 3,05 (0,120) в 1,20 (0,047) 1,40 (0,055) с 0,85 (0,033) 1,20 (0,047) Монолитная деталь D 0,37 (0,15) 0.45 (0,018) F 0,085 (0,003) О, 15 (0,006) по заказу о 1.76 (0,070) 2,04 (0,081) А J"~ н 0,51 (О,020) 0,60 (0,024) к 0,05 (О,002) О, 15 (0,006) lD J~lf=\ L 2,10 (О,083) 2,50 .(0,098) м 0,45 (0,018) 0,60 (0,024) N 0,89 (О,035) 1,02 (О,040) Рис. 2.22. Стандартнзация корпуса SOT-23 (с разрешения Hewlett-Packard).
60 rпава :z Размер, ww (дюймы) wии. макс . А 4,40 (0,174) 4,60 (О,181) в 2,29 (0,091) 2,60 (0,102) с 1,40 (0;056) 1,60 (0,062) D 0,3 8 (0,015) о,46 (6,018) Е 1,6 2 (0,064) 1,80 (О, 070) F 0,46 (0,018) 0,50 (О,020) G 1,50 (0,059) (номинальное значение) " D,35 (0,014) 0,80 (0,032 ) 0,43 (0,017) 1,02 (0,040) L 3,0 (0 , 118) (номинальное значение) N 2, 04 (0,081) 2,28 (О,089) р 3,94 (0, 156) 4,25 (0,167) Рнс. 2.23. Стандарти з ац и я корпус а SOT-89 (с разрешения Hewlett-Packard). А в с D Е F G н " L Размер, мм мик. макс. ' 2,80 2,10 1,20 0,85 1,80 1,60 О,37 0,78 0.05 0,09 3,10 2,60 1,70 1,20 2,00 1,80 0,48 0,88 0,15 0,15 Рис. 2.24 . Стандартизация корпуса SOT-143 (с разрешения Hewlett-Pack ard). стороны, хотят иметь большее число выводов, особенно для боль­ ших многобайтовых монолитных ЗУ, а с другой - оптимальные коммутационные характеристИ'КИ, обеспечивающие высокое быст­ родействие схем. Последняя тенденция подкрепляется, в част­ ности, американской программой разработки и выпуска сверх­ быстродействующих интегральных схем не только на основе кремния, но также и арсенида галлия . Многовыводные корпуса, наряду с их перспективностью, со­ здают у потребителей большие проблемы . В случае кристалло­ носителя с выводами это, например, возрастание трудностей обес­ печения надежности паяных соединений из-за рассогласования ТКР коммутационной платы и компонента. Очевидно, что иног­ да это относится даже к платам со специальной термокомпен­ сацией. Проблема, естественно, усложняется с увеличением ко­ личества выводов; по мнению большинства специалистов по монтажу, пределом для таких плат являются 68-выводные кор­ nуса. Это может возродить тенденцию к испqльзованию керами­ ческих кристаллоносителей с выводами, которые обладают до-
Компоненты и корпуса 61 статочным запасом упругости для решения проблемы теплового рассогласования. В настоящее время керамические кристаллоно­ сители с числом выводов до 84 и шагом 0,050 дюйма (1,27 мм) продаются в США фирмами Jade Corp., Kyocera и NТК. Буду­ щее покажет, будет ли эта разработка в полной мере принята специалистами в области ТПМК как альтернатива стандартной практике пО'верхностного монтажа. В случае более сложных корпусов шаг между выводами дол­ жен быть уменьшенным. Уже имеются корпуса, большей частью безвьi:водные, с шагом между контактными площадками 0,025 дюй­ ма (0,635 мм), 0,020 дюйма (О,508 мм) и даже 0,010 дюйма {0,254 мм), выпускаемые такими компаниями, как АМР Inc. и Jade. Наиболее совершенные опытные образцы, выпущенные к настоящему времени, реализованы в виде кристаллоносителей ·на гибкой ленте (фирма АМР Inc.) с числом контактных площа­ док, равным 320, и шагом между ними 0,010 дюйма (0,254 мм). Кристаллодержатели на гибкой ленте. Техника сборки и мон­ тажа самих компонентов в корпуса, которая находится в состоя­ нии интенсивного развития, включает методы установки кристал­ лов в держатели на гибкой ленте. В сущности, кристаллодержа­ тели на гибкой ленте, ТАВ (Таре Automated Bonding) являются вариантом известной техники монтажа на подложке бескор­ пуснЬ!Х кристаллов (чипов), которая сама является прооб­ разом ТПМК и основана на почти полном отказе от корпусиро­ ванных компонентов (в целях увеличения плотности монта:Жа), а также установке компонентов (обычно полупроводниковых) не­ посредственно на коммутационную плату с применением, напри­ мер, проволочного монтажа. ТАВ является перспективным вариантом конструкции компо­ нента, поскольку не только повышает эффективность использо­ вания коммутационной платы, но и позволяет реализовать иск­ лючительно высокое -быстродействие компонента благодаря от­ казу от традиционного корпуса и выводной рамки. Конструкция ТАВ рассматривается, например, как альтернатива корпусному исполнению арсенид-галлиевых приборов, реализующих быстро­ действие, соответствующее тактовой частоте свыше 35 МГц. ТАВ­ компонент можно испытывать непосредственно перед установкой на плату, что является весьма существенным его достоинством. Конструкция ТАВ особенно подходит для применения в раз­ личных недорогих изделиях, таких, как, например, интеллекту­ альные кредитные карточки. Это, в основном, связано с формой поставки кристаллодержателей: они поставляются на гибкой лен­ те, снабженной перфорированными отверстиями для подачи на сборку, т. е. как обычные компоненты, монтируемые на поверх­ ность коммутационной платы. К контактным площадкам кри­ сталла присоединены паучковμ~е выводы держателя. Перед мон-
rnaвa 1 тажом на подложку производится вырубка кристалла с частью . держателя. ТАВ-компонент обладает еще несколькими достоинствами, включая единственное в своем роде: возможность проведения контроля и необходимых испытаний на ленте-носителе непосред­ -ственно перед монтажом. Кроме того, поскольку приборы закреп­ .лены на ленте, никакой дополнительной ориентации при их уста­ новке на коммутационной плате не требуется. Типичный размер ,вывода у кристаллодержателя на гибкой ленте равен 0,05 дюйма ( 1,27 мм), а размер контактных площа-док [О,002 дюйм 2 (1,29 мм2 )] намного меньше размера площадок для проволочно­ .rо монтажа. С помощью ТАВ можно реq.лизовать некоторые нетривиаль­ :ные схемотехнические и конструкторские решения, обычно слож­ ные в исполнении на уровне коммутационной платы, например межсоединения внутри матрицы контактных площадок. Однако ТАВ должен разрабатываться определенным для каждого вида ·изделия . Кроме того, ремонт изделий с кристаллодержателями на гибкой ленте затруднителен. Сборка и монтаж кристалла на поверхности многослойной гибкой ленты также проблематичны. Возможны несколько конструктивных вариантов исполнения Т АВ в зависимости от конструкции используемой ленты. Более других распространены ТАВ на однослойных лентах, применяе­ мые исключительно в дешевых устройствах. Существуют также двух- и трехслойные конструкции. Многослойная позволяет осу­ ществлять более эффективную коммутацию выводоii по сравне­ нию с однослойной конструкцией, но затраты на ее разработку выше. Имеется несколько вариантов технологической реализации ТАВ. В Японии фирма Matsushita Electric Iпdustries применяет технику многократно используемых подложек, на которых мето­ дами электроосаждения выполняются золотые столбиковые вы­ воды толщиной 30 мкм. Затем столбики переносятся на вывод­ ную рамку ленты, после чего выводная рамка присоединяется к алюминиевой металлизации кри:сталла, с которым она образует единый схемный элемент. В качестве ленты применяется поли­ имидная пленка толщиной 125 мкм, несущая медные паучковые выводы толщиной 35 мкм. Цикл переноса столбиковых выводов может повторяться примерно до 30 раз, прежде чем подложка станет непригодной к использованию. Еще одной разра6откой, осуществляемой в настоящее время, является посадка нескольких кристаллов на обычную (или мно­ госекционную) рамку и предварительное соединение их между собой с помощью пленочной основы. Пленка фактически выпол­ няет функцию гибкой подложки схемы; специалисты считают, что в настоящее время такая структура может обеспечить удоб­ ное соединение между собой до семи кристаллов. ТАВ-компонент
Компоненты н корпуса б:J Таблица 2.5. Сравнительные характеристики 40-выводных корпусов типа DIP и Таре Pak (ТАВ) н 44-выводного корпуса типа PLCC (с разрешения Natioпal Semiconductor) DIP PLCC Таре Pak (ТАВ) ':!1 :!1 ':!1 :!1 ':!1 :!1 ... о ,о ... о о .... о ,о <>."( ti:<{ О.<{ ::: .;: <>.<{ :i:.;: "о "'о "о "'о "о "'о Параметр <;:IO "" <{IO "" <{IO "" =:а о:а =:а о:а =:а о:а ""' g" "" g" ""' g" " ... " U:!f :<:;;: <J:!f :.: :!1 u;i :.: :!1 о:а ~::s о:а :>.;; о:а :>.;; ()= "= u= "= u= "= Площадь, за ни- 2ХО,55 О,650ХО,650 0,286ХО,286 маемая телом (50,8Х 13,37) (\6,51Х16,51) (7 ,26Х7 ,26) корпуса на плате, дюймы (мм) Длина выводов, 1,0 0,3 0,35 0,25 о,1 О,1 дюймы (мм) (25,4) (7,62) (9, 14) (6,35) (2,54) (2,54} Сопротивление, 7 4 4 3 2,4 2,4 МОм Индуктивность, 22 6,0 6,5 5 1,2 1,2 нГн Емкость, пФ (меж- 0,5 0,2 0,3 0,2 0,2 О,I ду двумя соседни- ми выводами) является также серьезным конкурентом традиционным способам установки кристалла в корпус (которые не следует смешивать с методами монтажа бескорпусных кристаллов на коммутаци­ онной плате). В этом случае ТАВ может служить заменой вы­ водной рамке и проволочному монтажу. Некоторые специалисты считают, что именно таким будет его ближайшее и наиболее эффективное применение. Другой разработкой данного направления является корпус Таре Pak фирмы Natioпal Semiconductor (табл. 2.5), первона­ чально предназначенный для корпусирования дешевых модулей памяти. В отличие от стандартных негерметизированных кри­ сталлодержателей на гибких лентах Таре Pak состоит из кри­ сталла, посаженного на монолитный носитель из однослойной ленты, при этом все элементы представляют собой одно кон­ структивное целое. Если рассматривать систему более подробно, то она включает локально вытравленную медную ленту в каче­ стве выводной рамки [толщиной 0,028 дюйма (0,71 мм)], содер­ жащую проводники для соединения с кристаллом, с тест-элемен­ тами и т. д. Столбиковые выводы выполнены на внутренней сто­ роне выводной рамки и соответствуют контактным площадкам кристалла, как и в прежних конструкциях. На контактных пло­ щадках кристалла дополнительно формируется многослойное
rnuв 2 металлическое покрытие, а микроконтактирование его со стол­ 'биками осуществляется термокомпрессией одновременно с при­ соединением выводной рамки из медной ленты. Вместе с тем на кадре ленты может осуществляться герметизация кристалла, на­ nример заливкой пластмассой, и устанавливаться внешнее за­ щитное кольцо. Дальнейшая технология изготовления включает выру,бку боковых перемычек рамки, очистку, пайку и, наконец, разрезание на отдельные приборы для упаковки в трубчатые магазины. Таре Pak обладает несколькими преимуществами. Он может иметь весьма большое число выводов (от· 20 до по меньшей мере 220, а, возможно, и больше) при пяти модификациях конструк­ ции. Кроме того, конструкция позволяет проведение испытаний и контроля компонентов, поскольку шаг внешних концов выво­ дов равен 0,050 дюйма (1,27 мм). т. е. Я·вляется стандартным для ТПМК; шаг внутренних концов выводов составляет 0,020 дюйма (0,508 мм). Таре Pak может использоваться в сочетании с дру­ гими компонентами (например, в корпусах типа SO и PLCC) и совместим со стандартной технологией поверхностно~:о монтажа, например с методами пайки расплавлением дозированного при­ поя ИК-нагревом и в паровой фазе. Для монтажа корпусов Таре Pak необходима лишь небольшая перенастройка монтажных ав­ томатов, однако требования к точности позиционирования весьма высоки. По крайней мере одна фирма (Universal) производит сбо­ рочно-монтажное оборудование 1 пригодное для позиционирщ1а­ ния корпусов Таре Pak на плате; кроме того, фирма National Semicoпductor выпускает оснастку, необходимую для приспосаб­ ливания стандартных сборочнI:.Iх автоматов к технологии поверх­ ностного монтажа. Оснастка позволяет извлекать шта,белирован­ ные корпуса Таре Pak из вертикальных трубчатых магазинов, отделять сам корпус от защитной оболочки, формировать выво­ ды в виде крыла чайки и, наконец, транспортировать компонент к монтажной головке для установки на плате. Бескорпусной кристалл на коммутационной плате. Массога­ баритные и прочие показатели кристаллодержателя на гибкой ленте приближаются к альтернативному технологическому варианту- бескорпусному кристаллу на плате (КНП). Речь идет о непосредственной установке и обычном, например, проволочном монтаже некорпусированного кристалла на l(П. Самые существенные достоинства монтажа КНП заключаюг­ ся в том, что он обеспечивает экономию площади платы, даже по сравнению с конструкцией ТАВ, но, в отличие от последнего, не требует дорогого специализированного оборудования. Однако монтажу l(НП присущи и некоторые недостатки. Так, существен­ ное увеличение количества выводов кристалла требует большого
Комnоиеиты н корпусе 65 объема провоJ1очного монтажа, что приводит к неэффективному использованию имеющихся в продаже сборочных линий. По этой же причине усложняется контроль бескорпусных кристаллов пе­ ред и в процессе сборочно-монтажных операций (изготовители коммерческих изделий предпочитают не производить на своем оборудовании испытания бескорпусных кристаллов). В то же время ТАВ могут проходить испытания в полном объеме, вклю­ чая электротермотренировку, непосредственно перед сборкой на плате для отбраковки неисправных компонентов. Что касается КНП, то для них весьма не просто реализовать эквивалентную испытательную процедуру, поскольку в условиях транспортиров­ ки и проволочного монтажа на плате у пользователя некорпу­ сированные кристаллы легко повреждаются, даже если они пе­ ред этим Прошли аттестацию. Надежность является ключевым вопросом монтажа КНП. Несомненно, смонтированные бескорпусные компоненты в боль­ шей степени подвержены разрушающему воздействию факторов окружающей среды, чем их привычные корhусированные анало­ ги. При непосредственном монтаже на коммутационную плату общий выход годных плат существенно зависит от выхода год­ ных отдельных кристаллов и резко падает, если этот показqтель не высок: fl=flkn, где ri - выход годных микросборок с КНП; riк- выход годных кристаллов после монтажа; n - количество кристаллов, монти­ руемых на платах. Пос.Ле монтажа на коммутационной плате кристаллы обычно. защищают путем нанесения на их поверхность эпоксидной или кремнийсодержащей композиции; при этом принимают меры: для предотвращения затеканий герметика на плату. Затем гермети­ зирующую композицию некоторое время подвергают термообра­ ботке для отверждения, обычно при температуре 150 °С в тече­ ние не более четырех часов. И все же такие покрытия недоста­ точно надежны (герметичны), поскольку не обеспечивают защиты кристалла, например в условиях повышенной влажности (наличия паров воды) и в присутствии других агрессивных реа­ гентов. Любые пустоты, образовавшиеся на границе герметик­ кристалл, неизбежно становятся накопителями (источниками скопления) конденсатов. Очевидно, что по аналогичным причи· нам такого рода защита недостаточна и для кристаллов, выде­ ляющих большое количество тепла. Так,. например, данная за­ щита становится неэффективной при уровне рассеиваемой мощ­ ности более 1 Вт. К другим способам относятся улучшение характеристик пас­ сивации самого кристалла во время изготовления и многослой­ ное покрытие из нитрида кремния. 5-1533
66 Глава 1 Процесс монтажа КНП на плату требует к себе повышеюю . го внимания, несмотря на имеющийся опыт многих фирм, свя· занный со сборкой и монтажом кристаллов на основания корпу­ 'Сов (либо на выводной рамке), а также на подложках (напри­ мер, керамических) при изготовл е нии пленочных ГИС. Принци­ пиальное отличие техники монтажа КНП от имеющегося традиционного состоит в том, что в качестве материала комму­ тационной платы обычно выбирается стеклоэпоксид, например марки FR-4 . Поскольку входящее в состав этого материала стек­ ло имеет довольно низкую температуру плавления (порядка 200 °С), исключается во з можность проволочного монтажа КНП методом термокомпрессионной сварки, которая обычно осущест­ вляется при темпе ратуре поря д ка 320 ° С. В случае использования теплостойких эпоксидных (или полиимидных) подложек приемле- ' мыми могут оказаться комплексные методы микроконтактнрова- 1 ния, например применение термокомпрессии в сочетании с ульт­ развуком. Другим средством повышения прочности получаемых соединений и предотвращения размягчения смолы при высоких температурах является покрытие контактных площадок платы несколькими тонкими слоями никеля . Обычно это относится к контактным площадкам со структурой «медь - никель - золото». Еще одним вариантом микроконтактирования является со­ единение КНП с контактными площадками платы алюминиевой проволокой методом сварки клинообра з ным инструментом с при­ менением ультра зв ука. Такая сварка н е требует нагрева ком'.1у­ тациоюrой платы и поэтому может быть применена для монтажа кристаллов на платах из традиционных материалов. Этот вид сварки требует больше времени для своей реализации, чем дру­ гие сварки с применением нагрева, а также времени для допол­ нительной ориентации кристалла относит е льно коммутационной платы. Ве с ьма вероятно, что наиболее оптимальной технологией микроконтактирования д ля КНП станет находящийся пока в ста­ дии разработки метод сварки встык алюминиевой проволоки с алюминиевыми контактными площадками кристалла и платы при помощи капиллярного сварочного электрода с образованием шариков из материала проволоки. Использование традиционной сварки клинообразным инструментом сопровождается диффузи­ онными процессами на границах золото-алюминий и полупро­ водник-металл, которые способствуют появлению усталостных напряжений в местах получаемых электрических соединений. Это может произойти в момент, когда на любом участке приваривае­ мой проволоки температура превысит 125 °С. В конечном итоге метод монтажа КНП с применением алюминиевой проволоки представляется более перспективным в сравнении с методом мон­ тажа золотой проволокой, так как он намного дешевле. Возмож­ но, что со временем получит распространение термокомпресси­ онная сварка встык с применением медной проволоки и образо-
Комnонент~.1 н корпуса &f ванием шарика, или сварка ·медным шариком, хотя это малове­ роятно, если мыслить традиционными категориями. Однако надо учитывать, что эта технология быстро развивается; сварка мед­ ным шариком привлекательна тем, что контакт медь-алюминий: весьма надежен и обладает хорошей электропроводностью, а сам метод допускает высокую степень автоматизации. Крепление кристалла на коммутационной плате производит­ ся любым из двух основных методов: приклеиванием, например, с помощью серебросодержащей эпоксидной композиции либо (менее распространенной) пайкой. Элементы топологии со струк­ турой медь-никель-золото для посадки КНП покрываются серебросодержащей пастой (например, методом трафаретной пе­ чати), которая просушивается при температуре 150 °С в течение двух часов. На нижнюю сторону кристалла наi-rосится СЛ':"JЙ зо­ лота, после чего осуществляется пайка кристалла на соответ­ ствующем посадочном месте коммутационной платы. Примене­ ние этого способа оправдано только в случае монтажа мощных кристаллов. Техника монтажа КНП находится в состоянии развития, но уже используется при изготовлении многих изделий, в частности в недорогих устройствах бытовой электроники, особенно в Япо­ нии. Монтаж КНП получил распространение в производстве изящных цифровых часов на одной микросхеме, калькуляторов и звуковой аппаратуры. Наибольший интерес у изготовителей, по-видимому, вызывают изделия, включающие небольшое число кристаллов (менее десяти, а чаще - менее пяти), и тем не менее как в Японии, так и в США производится автоматическое кон­ торское оборудование, содержащее специальные платы с 20 и более кристаллами. Монтаж КНП, несомненно, значительно про­ ще, чем ТАВ, хотя эксплуатационная надежность его остается под вопросом. Техника монтажа КНП, кроме того, в сравнении с ТАВ более гибкая и может применяться на платах со смешан­ ной технологией изготовления топологических элементов, напри­ мер в сочетании с толстопленочными полимерными резисторами (см. гл. 3), а также в тех случаях, когда требуется оперативное и недорогое изменение схемного решения (например, на этапе макетирования изделия). На практике можно проследить тен­ денцию к сближению монтажа КНП и монтажа корпусирован­ ных компонентов, как можно видеть на примере ИС с матричным расположением выводов. В конечном итоге выбор соответствующей технологии может быть сделан рынком, как это произошло в случае с разработкой кредитных карточек, выполненных с применением монтажа КНП. На рис. 2.25 проведено сравнение площадей, занимаемых раз­ личными типами корпусов, рассмотренных в этой главе. 5•
68 Площадь , занима е~ 1ая ком пон ентом: ммХмм мм' Отиоситепь- ны е единицы Гnава 1 OSOP-24 о ТАВ-24 DIP-24 . " 1 (ппастмасс.) 50-24 31.ОХ 15,24 15 ,4Х 10,24 472 .44 157,70 12,73 "4 ,25 DCOZ< DБескорпусныА кристалл Тнп корпуса LCCC-24 ТАВ-24 1J,18X!l,18 5,85Х8,57 124,99 S0,12 3,37 1,36 \ бескорпусныll .кр ис та.м 5,65Х6,57 37,12 1' Рис. 2.25 . Сравнение площадей, заним а емых на плате разньшп типами корпусов (с разрешения журнала «Electroпic Packaging and Productioп » ): SOP-24 - пластмассовый S0-24; СС-24 - без вывод н о й ке рамическнi'1 кристаллоносите.1ь с 24 контактами LCCC-24; ТАВ-24 - криста .1Лодержатель на rнбкоi'! ленте С 24 ВЫВ ОДЮ!И. ПРАКТИЧЕСКИЙ ПРИМЕР. ОСВОЕНИЕ СРЕДСТВ ПОВЕРХНОСТНОГО МОНТАЖА Дж. П. Мискел Отделение промышленных систем фирмы Texa s lnstrиments, Jndustrial Systems Division , Эрвин-Хайвей , Джонсои-сити, Теннесси, США Ра з работка и освоение сре дств поверхностного монтажа тре­ бует системного подхо да, который должен планироваться и реа­ лизовываться точно так же, как и при разработке нового слож­ ного из делия. Необхо д им этап научно-исследовательской прора­ ботки поверхностного монтажа, с тем чтобы гарантировать опти­ мальность и творческий потенциал закладываемых т ехнических решений. Путь иссл е дования можно разбить на три основных этапа: и зу че ние основ ТПМК, выявление технологических тон­ костей и анализ наиболее важной информации. Чтобы понять основы ТПМК, разработчик должен провести тщательное исследование. Чтение технической периодики и по­ сещение семинаров д ают некоторое представление о предмете, однако наиболее эффективный метод его освоения - ознакомле­ ние на практике. Лучше всего это делать с помощью насыщен­ ного одно- или двухдневного посещения действующего прqизвод-
Компоненты н корпуса 69 сгва. Некоторые фирмы (АМР, Texas Instгuments и National Semiconductoг) имеют лаборатории техники поверхностного мон­ тажа, открытые для посещения специалистами промышленности. На данном этапе нужно определить, действительно ли необходи­ ма для ваших нужд техника поверхностного монтажа. Основны­ ми критериями могут служить: • Характеристики электрических -помех. • Качество изделия. • Состав и объем встроенных в техиологический процесс средств для статистического контроля качества. . • Соотношение размеров готового изделия и его функциональ­ ных возможностей. • Воз,можность сна1бжения производства матер1;1алами .и .комп­ лектующими изделиями по системе «точно по графику». • Потенциальное снижение затрат. Освоение техники поверхностного монтажа, как правило, за­ трагивает все подразделения фирмы. При этом целесообразно создать комитет, состоящий из представителей всех подразделе­ ний, который изучил бы меру причастности каждого подразде­ ления к ТПМК и составил бы сквозной план-график мероприя­ тий по освоению ТПМК. Препятствия на пути организации ново­ го производства должны быть устранены, поскольку поверхност­ ный монтаж является революционной технической реорганиза­ цией производства, требующей нового подхода и технического ~1ышления. Последним этапом НИР является сбор наиболее важной ин­ формации и переработка ее применительно к вашим потребно­ стям. Отмечайте все аспекты, касающиеся улучшения осваивае­ мой техники, и будьте мысленно готовы к созданию новых кон­ цепций. Изучайте поставщиков оборудования с целью раскрытия их сильных и слабых сторон, а также их способностей произво­ дить специальное оборудование по заказу. Старайтесь не отка­ зываться от поставщиков без достаточно мотивированных осно­ ваний. ТПМК - быстро развивающееся направление в произ­ водстве электронной аппаратуры и новые разработки, например оборудования, появляются с ошеломляющей быстротой. Д,1я эф­ фективного освоения и внедрения ТПМ.К можно восподьзоваться услугами субподрядных фирм, однако, если координацию и уп­ равление этими работами заказчик осуществляет сам, это дает ему возможность более глубоко разобраться в вопросах техно­ логии и специфики оборудования, Проектирование производства. Знания и опыт, полученные при работе с техникой традиционного монтажа в сочетании с но­ вой информацией, относящейся к ТПМК, следует использо~ать для разработки подробного, хорошо продуманного плана освое-
70 rnaвa .1 . ния поверхностного монтажа. Основные мероприятия в этом пла­ не должны быть связаны с процессами сборки и другими т е х­ нологическими операциями, а также с оборудовани ем ; при этом оптима.'!ьные варианты в ы бирают ся по р езул ьтатам мод елиро­ вания. При разработке технологии прои з водства конкр е тного изде­ лия для поверхностного монтажа проц е сс сборки разбива ется н а этапы : установка компон е нтов в отверстия, установка компонен­ тов д.'I Я поверхностного монтажа с лиц е вой, а затем и с обратной стороны платы либо н еобходимая комби1;1аци я этих этапов. Для технологической линии средней п р ои з водит е льности при боль­ шой доле компонентов, монтиру ем ых на пов ерхность, использо­ вание вс е х возможных комбинаций сборки об есп е чивает высокую гибко с ть . Если гибкость предусмотрена на в сех этапах т е хноло­ гического процесса и обеспечива е тс я оборудовани е м, то т ех ноло­ гия прои з водства в дальнейш е м мож е т быть усложнена . Ц еле­ сообразно все гда иметь технологич е ский р ез ерв_ на случай слож­ ных изделий и усовершенствований, поскольку никто никогда реально не з нает, что его ожи д ает . Заранее сформулированный набор прои з водств е нных пока з а­ т е л е й помогает определить наибол ее важные факто р ы для раз­ р аботки критериев оценки надежности и качества изделий, обо­ снования производственных затрат и т. д. Прим е ром может слу­ жить сл едующий набор производств е нных показател е й: • Ст епень автоматизации . • Состав и объ е м средств статистического контроля технологи- ческого процесса. • Гибкость. • Продолжительность рабочего цикла. • Автоматизация транспортировки коммутационной платы. • Во з можность создания б ез бумажного управJ1ения заводом. • Ме роприятия по обесп е чению кач е ства. Им ея эти исходные данные и опр е делив т е хнологический про­ це сс, удовл е творяющий требованиям, свя з анным с созданием опред е л е нного изделия, ра з работчик должен сфо р м ул ировать ограничения. При выработке требований к технологическим про­ цессам, оборудованию или параметрам кач е ства следу е т учиты­ вать особенност и, присущие конкретному те хнологич е скому про­ цес су. Сюда входя т: • Диап а зон габаритов обрабатываемых коммутационных плат. • Способ подачи платы на операцию. • Опознавание платы (по штриховому коду). • Огранич е ния по высоте. • Способ отверждения эпоксидной смолы (УФ, конвекционный).
Компоненты н корпуса 71 • Состав припайной пасты. • Ограничения по составу навесных компонентов. • Мероприятия по технике безопасности. • Ограничения, касающиеся работ с химическими веществами (правительственное регламентирование). • Потребность в дефицитных видах оборудования. После анализа характеристик и ограничений технологическо­ го процесса нужно сформулировать требования к оборудованию с учетом важных творческих находок. Как неформальные, так и формализованные требования должны быть зафиксированы в письменном виде и служить руководством при выборе оборудо­ вания. Образец набора требований к оборудованию указан ниже. Успешному освоению ТПМК (технологического процесса, обо­ рудования и т. д.) способствует применение средств вычисли­ тельной техники, в частности моделирование технологических процессов успешно осуществляется с помощью пакета программ SIMAN. Пакет программ SIMAN совместим с персональными компьютерами IBM РС, его стоимость колеблется от 1000 до 30 ООО долл. в зависимости от модели компьютера, объема гра­ фического материала и полного времени работы с программой. Имитационная модель позволяет прогнозировать поведение си­ стемы посредством, например, оценки основных параметров и по­ строения графиков требуемых зависимостей. Примерами полез­ ных и нужных сведений при моделировании являются: произво­ дительность и время готовности оборудования, система транс­ портировки, соотношения компонентов по типам монтажа, - степень загрузки оборудования и т. д. По резу.'Iьтатам модели­ рования, помимо анализа графиков, можно производить оценку технических решений на стадии проектирования, включая ма­ шинные эксперименты, например проигрывать различные вари­ анты реализации оборудования, транспортных средств или тех­ нологических процессов. Введение в основную имитационную модель данных о стоимости позволит получить высокоточную мо­ дель, обеспечивающую эффективность управленческих решений с экономической точки зрения. Выбор оборудования. На этапе НИР следует определить круг поставщиков оборудования. Нужно обратиться к изготовителям оборудования и запросить у них ТУ на оборудование. Затем надо выставить требования на поставки. Целесообразна одно­ и.1и двухдневная командировка коммерческого представите.11я на фирму-изготовитель оборудования для детального обсуждения вопросов поставки. После того, как будут выбраны два или три кандидата в поставщики, следует организовать посещение фирм­ изготовителей (предполагаемых поставщиков) с целью осмотра оборудования в реальных условиях эксплуатации.
' Образец набора требований к оборудованию Устройство д11я нанесения повпоАвоii пасты 8 Автоматизация Высокоп.ронзводите11ьное сбооочно-мовтажвое обор удов а 1111с • Установка компонентов: автоматическая загрузка плат с - точность ±0,006 дюйма (О , 1524 мм) захватом по краям. - автоматич е ская подстройка рины захвата - 5:минутная готовность • Точность - воспроизводимость не ±0,001 дюйма (0,025 мм) шн- хуже - совмещение ·ПО оптическому клю­ чу - коррекция погрешностей с помощt.ю стем тех нического зрения - питатели с лент шириной 8, 12, .16 мм си- произво д ительно сть 12 ООО компонентов в час с 99,98% на дежно стью установки • Автоматизация автоматическая регулировка ширины за­ хвата - загрузка/выгрузка платы с захваток с той же самой стороны - 5-минутная готовность • Особенности ,• Особенности - компьютерное управление пара- метрами движения ракеля интерфейс для связи с централь ­ ным компьютером . \ автоматическии дозатор припоя - загрузчик сырых (иеотожжениых) плат - габариты плат (макс.) 16Х 18 дюй­ мов (406,4Х457,2 мм) - трафареты или шаблоны интерфейс для связи с центральным компьютером программное обеспечение для оптими­ зации ·установки компонентов Прецнэ.ионное монтажное оборудование 8 Установка компонентов : - точность ±0,0045 дюйма (0,1143 мм) - коррекция погрешн остей с пl>мощью си- стем технического зрения питатели с лент шириной 8-56 мм магазинные питатели с виброблоком • Автоматизация автоматическая регулировка ширины захвата готовность 0,3 мин для небольших уста­ новок готовность 5 мин для больших устано­ вок возможность установки . компонецтов неправильной формы • Особенности 200-дюймовые (5,08 м) вводы питате­ лей интерфейс для связи с центральным компьютером многопрограммная подготовка на линии контроль давления по оси Z.
·Компоненты н корпуса 73 При заказе обору,дования начинайте с соглашения, формули­ рующего объем и сроки поставки, критерии приемного контроля, формы обучения основного и вспомогательного персонала и усло­ вия оплаты. Разработайте график рабочих совещаний для кон­ троля хода выполнения соглашения, состояния проектирования а решения текущих вопросов. Входной контроль должен вклю­ чать один комплекс испытаний на заводе-изготовителе и второй ;~омплекс испытаний во время установки оборудования. В про­ цессе приемных испытаний целесообразно использовать испыта­ тельную плату, изготовленную в соответствии с вашими техниче­ скими требованиями на опытно-экспериментальном участке ва­ шей же фирмы. Пользование собственной испытательной платой может выявить качество изготовленного оборудования, а также недостатки вашей собственной разработки, и тем самым позво­ лит упредить потери времени в будущем. Освоение производственного оборудования. Установка и ~1онтюк оборудования заключается не только в проверке выпол­ нения технических требований, предъявляемых к машине; она должна испо"1ьзоваться как возможность для обучения персонала и проведения цикла экспериментов. В соглашении с изготовите­ лем оборудования предусмотрите период времени, достаточный для тщательного ознакомления с оборудованием, прежде чем передадите его в распоряжение обслуживающего персонала. Набор оборудования, соответствующего предъявляемым к нему требованиям, еще не гарантирует качественного технологи­ ческого процесса или качества конечного продукта. Необходима интеграция оборудования и технологического процесса с учетом особенностей изготовляемого изделия. Хорошим методом дости­ жения такой интеграции является планирование и проведение эксперимента. Для этой цели была выбрана методика «Страте­ гия экспериментирования», разработанная фирмой Дюпон и~осно­ ванная на ступенчатом подходе к поиску нужного решения с привлечением статистического анализа, ЧТQ позволяет исключить незначимые варьируемые факторы. Процесс планирования эксперимента начинается с анализа технологического процесса («мозгового штурма»), в ходе кото­ рого определяется набор некон11ролируемых и контролируемых факторов. Факторы анализируются и ранжируются по степени их влияния на технологический процесс с учетом взаимозависи­ мости и уровней варьирования. Примером одного из таких фак­ торов может служить толщина наносимого слоя припайной пас­ ты, которая влияет на прочность паяных соединений, частоту появления дефектов или качество трафаретной печати. Толщина слоя пасты взаимосвязана со скоростью трафаретной печати, конструкцией _шаблона, .временем изменения направления двк­ жения ракеля и т. д. и колеблется от 0,004 до 0,012 дюйма (от
74 rnaвa 1 0,101 до 0,3048 мм). Выделив значимые факторы, спланируйт е и проведите эксп ер именты, и зме няя их величину в пределах вы­ бранных уровней варьи ро вания. Составьт е матрицы планируемо­ го эксперимента и с применением статистического анализа опре­ делите оптимальные уровни варьирования факторов примени­ тельно к каждому параметру . Установив набор оптимальных уровней контролиру е мых фак­ торов для всех параметров процесса, проведите эксперимент по оптимизации допусков для опр еделения погрешност ей и повы­ шения воспроизводимости технологич ес кого процесса. Выделит е операции, на которых возникают трудности получения воспро- 1 1зводимости, и выработайте мерЬJ, обеспечивающие корректи­ ров к у технологических режимов ДJIЯ возврата процесса в техно­ .1огически устойчивое состояние, после чего оборудование может быть передано в эксплуатацию. Системный, тщательный подход к поверхностному монтажу требует значительных затрат времени, но он обязателен для успешного освоения и эффективного внедрения поверхностного монтажа. По заверш е нии этих этапов можно приступать к созда­ нию современных конкурентоспособных изделий. '
Глава 3 КОММУТдЦИОННЫЕ nлд ты ДЛЯ ПОВЕРХНОСТНОГО МОНТ дЖд Техника поверхностного монтажа революционизирует методы конструиро­ вания и изготовления коммутационных плат. Попытки обеспечить интенсивный теплоотвод, являющийся основной проблемой ТПМК, связанной с уменьшени­ ем массогабаритных показателей выводов компонентов, объясняют появление большого количества новых пластмасс, керамических и композиционных мате­ риалов для плат. Становятся обычными коммутационные дорожки, имеющие ширину и шаг, равные 0,008 дюйма (0,203 мм), а в весьма близком будущеы потребуются платы с шириной коммутационных дорожек и шагом между нн­ ми, равными 0,005 дюйма (0,127 мм). Большинство печатных плат, предназна­ ченных для монтажа в отверстия, изготавливают по традиционной технолог1ш и с шириной и шагом коммутационных дорожек 0,015-0,010 дюйма (О,381- 0,254 мм). Вместе с тем техника поверхностного монтажа предъявляет повы­ шенные требования к электрофизическим характеристикам коммутационных плат; так, для традиционной платы допуск на полное сопротивление (электри­ ческий импеданс), равный ±25%, становится неприемлемым для плат в ТПМК, поскольку в последнем случае нужно стремиться получить величину допуска не более ±5%. Это требует включения резистивных нагрузок в конструкцию ·само~"! платы. Развитие техники поверхностного монтажа способствовало появлению новых технических пластмасс, керамических и раз­ личных композиционных материалов, необходимых для опреде­ ленных типов микросборок. При изготовлении простых и отно­ сительно дешевых сборок полностью пригодны традиционные материалы, такие как слоистые бумажнофенольные и стеклоэпо­ ксидные материалы. Часто изготовление подобных сборок ста­ новится дешевле как бы само по себе, поскольку исключается сверление оквозных отверстий для монтажа компонентов; по оценкам экспертов, только исключение операций сверления отвер­ стий может снизить стоимость платы на 1О%. Но поистине вызовом, который бросает ТПМК изготовителям коммутационных плат, являются требования к точности их изго­ товления: в ТПМК на всех этапах технологического цикла до­ пуски для плат должны составлять от 0,001 до 0,002 дюйма (0,0254-0,0508 мм). В табл. 3.1 указаны факторы, обусловленные особенностями ТПМК применительно к изготовлению коммутационных плат. Они тесно связаны с компромиссом между плотностью монтажа и эффективным использованием коммутационной платы, а имен­ но: более высокая степень использования плат может служить ка!<'" целям уменьшения размеров платы с тем же самым коли­ чеством коммутационных слоев, так и целям повышения функ­ циональной сложности изделий при сохранении размеров плат
Таблица 3.1 . Факторы, связанные с особенностями ТПМК и относящиеся к нзrотовлеlfИЮ коммутационных плат Фа1tтор Размеры коммутацион­ ных плат Эффективное использо­ вание площади комму­ тационных плат Варианты поверхност- ного монтажа Число коммутационных споев · плат Ширина и шаг ко мму та- · цнонной дорожки (ко­ ординатная сетка) Ко1111еита11n С увеличением габаритов коммутационных плат повышается их ф ункцио н ал ьная сложность и ис­ клю чают ся промежуточные соединители, посколь ­ ку уст ановка модулей осуществляется на одной плате. Однако монтаж свер хбольших пла т весь­ ма за труднителен и дорог, если еще учитывать групповую обработку пла т р азных размеров. Вы ход год ных плат после их изготовления в ос­ новном определяет практический предел ра зме ­ р ам коммутационных плат (См. гл. 2). По сооб раж е ниям эффективного ис­ пользования площади коммутационных пл а т оп­ тимальным является равномерное р азме щение на плате компонентов после монтажа. Одни и те же компоненты существуют в разных в а риантах корпусного исполнения, отличающихся стоимо­ стью, шаго м выводов , расс е иваемой мощностью и т . д . Очень высокая плотн ость монтажа может зат р удни т/> пол у чение над е жных контактов ком­ пон е нта с платой (См. гл. 5.) Монтаж может быть чисто поверхно­ стным, с одной или двух сторон платы , или сме­ ш анным, когда установка навесны х компонентов осуществляется и на поверхность п латы , и в сквозны е отв е рстия . У двухсторонних пл ат по­ верхность монтажа автоматически удваивается , Пло1 но сть мо нта жа может быт ь увеличена вер­ тикальной установкой нескольких комм утацион­ ных плат на общую несущую плату (см. гл. 9, раз д . « Техни к а нерар х и•1еского соединения») Многослойные платы автоматически уменьшают тру дности ра з водки , правда, при этом услож ня­ ется процесс их изготов л ения из-за увеличения числа слоев комм у т а ции и дополнительного свер­ ления . Необходимы межслойные переходы для доступа извне к вн ут р енним слоям коммутации . Во время т ер моциклирования может иметь место дефор маuия п.~аты по оси Z fJpи мало~~ шаге координатной сетки возможна более плотная коммутация и, следовательно, бо­ лее высокая плотность монтажа . Однако реализа ­ ция комм утационных дорожек шириной 0,008 дюй­ ма (0 ,203 мм) и менее обходится дорого; пр ед ­ почти т ельна освоенная технология получения ши­ рины дорожек 0,0 10 дюйма (0,254 мм), поз воля­ ющая осуществлять. смешанный монтаж компо­ нентов на поверхность платы и в отверстия и обл адающая запасом совершенствования. Боль­ шне значения шага координатной сетки для ТПМК: не прие млем ы
Коммутационные nnаты дn• nоверхностноrо монтаЖа 177 Фактор Применение межслойных переходов Электрические . характе­ ристнкн Отвод тепла Продолжение !(омментарии Использование межслойных переходов позволя­ ет у:11еньшить необходимое число слоев коммута­ ции и осуществлять трассировку дорожек на поверхности платы, но за счет увеличения стои­ мости даже в сравнении с традиционной техни­ кой монтажа в отверстия. Реализация межслой­ ных переходов предъявляет повышенные требова­ ния к технологии изготовления коммутационных плат, особенно в части сверления переходов и нх металлизации. Для межслойных переходов обыч­ но требуются контактные площадки, и хотя ла­ зерное сверление позволяет уменьшить их размер, все же трассировка может быть затруднена ими Использование корпусов для ТПМК может быть особенно выгодным, когда требуются проводники малой длины; в других случаях следует учиты­ вать, что при малых расстояниях между провод­ ника:11и возможно проявление нежелательных эффектов вследствие взаимоиндукции Высокая плотность поверхностного монтажа ком­ понентов может вызвать необходимость принятия специальных мер, реализуемых в конструкциа коммутационных плат для отвода тепловых по­ токов (например, платы с термокомпенсацион· ным слоем или теплоотводом, формируемым между платой и компонентом). В наихудших случаях локальные перегревы могут вызвать усталостные напряжения внутри платы с одновременным увеличением числа слоев. В обоих случаях в технологию изготовления плат должны вноситься изменения: миниатюризация отверстий и коммутационных дорожек" а также увеличение количества слоев коммутации требуют повышения точности технологичеоких процессов. РАЗМЕРЫ КОММУТАЦИОННЫХ ПЛАТ Переход от традиционной техники монтажа к ТПМК дает много возможностей для уменьшения размеров используемых плат; часто ТПМК позволяет построить схемный модуль на пла­ те исключительно малых размеров. Убедительным подтвержде­ нием этому служит переносная аппаратура, например радиопри­ емник поискового вызова. Вероятно, общее уменьшение габари­ тов данного устройства было бы невозможно без применения ТПМК и, соответственно, было бы невозможно снижение его стоимости. Другим хорошим примером являются японские сверх­ миниатюрные портативные стерео- и радиосистемы. Выигрыш
78 rnавв 3 здесь имеет место яе только в снижении стоимости за счет умень­ шения размеров плат, включая, возможно, и базовую• (с соеди­ нителями) плату, но и в значительном улучшении электрических характеристик устройства благодаря меньшей длине коммутаци­ онных дорожек и расстоянию между компонентами, что очень - важно для повышения быстродействия с;хем и уменьшения пара­ зиrных связей, особенно в СВЧ-диапазоне. С повышением плотности монтажа, естественно, возникают . условия для увеличения функциональных возможностей изде- лий. Несмотря на то что в настоящее вре ~ я еще не сформули- . рованы критерии для выбора оптимальных размеров коммута­ ционных плат применительно к конкретным разработкам, поис­ ковые работы в этом направлении продолжаются. В частности, в Европе разрабатываются стандарты с целью реализации в ТПМК модульного принципа. В этом плане особенно заметны достижения техники проектирования различных уровней межсо­ единений, которая предусматривает размещение на ба з овой пла­ те других с м онтированных плат, представляющих собой конст­ руктивные единицы более низкого иерархического уровня (под­ системы) аппаратуры, соединенные между собой. Более подроб- . , но этот вопрос рассмо1"рен в гл. 9. Следует также отметить, что размеры плат сущ ественно огра­ ничиваются характеристиками материалов, и з которых они из­ готавливаются (платы больших размеров подвержены коробле­ нию в результате термообработок и для и з бежания этого их толщина должна быть соответственно увеличена). Кроме того, существуют ограничения размеров плат, связанные с технологи­ ческой оснасткой и оборудованием, например конструкция боль­ шинства монтажны х и испытательных устройств разработана с учетом каких-то предельных размеров платы . И наконец, платы больших ра зм еров затрудняют операции совмещения, сверления, электролитического покрытия и пайки. Транспортная система такж е должна быть рассчитана на такие размеры, поэтому целе­ сообразно по крайней мере выдерживать ширину плат. Специалисты в настоящее время предлагают довести к 1990 г. размер плат, используемых для поверхностного монтажа компо­ нентов, до 36 Х 48 дюймов (91,44 Х 121,92 см), если ука з анные пробл е мы будут решены. Ожидается , что выход годных в процес­ се изготовления коммутационных плат и монтажа на них компо­ нентов станет основным крит ерием опре дел ен и я максимальных разм ер ов плат. Кроме того, предлага е тся о г раничить применение макси-плат областью суперЭВМ. ЧИСЛО СЛОЕВ, ШИРИНА И ШАГ КОММУТ АЦИОННЬIХ ДОРОЖЕК Эти парам е тры находятся в сильно й в з аимозависимости; для заданной степени сложности внутрисх ем ны х соединений (общей 'lрассирq,вки) увеличение числа слоев означает разгрузку комму-
Коммутвцнонные nnаты дпя поверхностиоrо монтвжа 79 тации каждого. слоя и позволяет увеличить шаг координатной сетки, например до 0,010 дюйма (0,254 мм). Большинство реа­ лизаций ТПМК все еще основано на применении координатной сетки, которая в большей мере свойственна традиционной тех­ нике монтажа в отверстия. Это, безусловно, упрощает выполне­ ние смешанного монтажа на платах, если конструкции постепен­ но модернизируются, и облегчает проектирование плат. Исполь­ зование сеток с меньшим шагом требует больших затрат. Вместе с тем плотность монтажа существенно увеличивается, если ока­ зывается возможным прокладывать коммутационные дорожки между контактными площадками. Перспективные разработки коммутационных плат будут реализовывать дорожки шириной 0,006-0,005 дюйма (О,152-0,127 мм) н с тем же расстоянием между ними. Число слоев коммутации платы оказывается связанным со стоимостными показателями и надежностью изделия. Обычные платы делаются из отдельных слоистых заготовок и, если в них запроектированы сквозные отверстия или межслойные переходы, может потребоваться выполнение операций сверления, электро­ литического осаждения и совмещения рисунка коммутации от­ дельно на каждой стороне заготовки. В многослойных конструк­ циях обычно имеются две внешние сигнальные шины и внутрен­ ние шины заземления и питания. Простейшим случаем является, конечно, двухсторонний поверхностный монтаж, который прак­ тически удваивает эффективность использования поверхности платы. Данных о фактически возможном количестве слоев не­ много (в некоторых разработках указывается число 24). Однако на пра'ктике оно будет скорее всего ограничиваться деформацией платы по оси Z вследствие неравномерного ее расширения во время термоциклирования, а также приемлемым выходом год• ных коммутационных плат на стадии производства. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СКВОЗНЫХ ОТВЕРСТИЙ И МЕЖСЛОйНЫХ ПЕРЕХОДОВ Одним из больших достоинств ТПМК является возможность выбора таких проектов коммутационных плат, в которых отсут­ ствуют сквозные отверстия для установки компонентов и размер которых одинаков или меньше размеров плат-аналогов с мон­ тажом в отверстия при соответствующем выигрыше в стоимости. Японская промышленность, например, достигла впечатляющих плотностей монтажа компонентов в изделиях бытовой электро­ ники с применением очень дешевых односторонних плат. Однако в большинстве изделий все еще остается некоторая доля монта­ жа в отверстия. При этом плотность отверстий для межслойной коммутации увеличивается, а размеры отверстий уменьшаются, в результате чего требования к технике выполнения отверстий неизбежно ужесточаются.
б в rмм 3 Рис. 3.1 . Конфигурация межслойных пер е ходов: а - пере х од через сквоз­ ное отв ерстие, соединяющий внешний слой коммутации с внутренними слоя­ ми и с противоположным виешиим слоем; 6 - переход через внутреннее (г.~ у хое) отвер с тие, соединяющий оди н внешний слой с одним или более внутр е нними слоями к оммутации; в - .внутр е нние (скрыты е ) пер е ходы для сое д инения между собой внутренних сл оев без с оединения с наружным11 слоями коммутации; г - комбинация межс:Л о йных переходов. В настоящее время для большинства с к во з ных отвер­ стий отношение глубины отвер­ отия к диаметру равно пример­ но трем. Для плат с вы сокой пло11ностью ком .мутации (в ТПМК) могут потребовать ся сквозные отверстия с отноше­ нием (5-10) : 1 и соответствен­ но более совершенная техника их формирования и м е талли­ зации. Разработка мето дов соз д а­ ния 1МежсЛ'ойных переходов продолжается. В настоящ е е время чаще и с поль з уются два типа межслойных переходов: глухие и внутренние. Глухой переход- это соединителыный ка­ нал, ви д имый только с верхней или нижней стороны комму­ тационной платы , иными словам и, он соединяет внешний слой с одним и боле е внутр е н:ними слоями. Внутренние же переходы используются для со ед инения между собой внутренних слоев платы с целью упрощения разводки коммутации , т. е. для уменьшения числа слоев в .плате по сравнению с тем коли­ чеством, которое потребовалось бы при трассировке аналогич­ ной схемы, но бе з внутренних межслойны х переходов . Так, например, специалисты указыв а ют, что 12-слойную конструкцию коммутационной платы бе з межслойных перехо д ов нередко можно свести к эквивалентной 8-слойнсiй конструкции, если использовать внутрен,ние межслойные переходы (рис. 3.1). Ми­ ними з ация количества сло е в платы це лесообразна из сообра­ жений надежно сти, но это неизбежно влечет з а собой поиск ком­ промисса между дополнительным объемом работ по сверлению
· Коммутационные nnаты дn• nоверхностноrо монтажа 8J и металлизации отверстий (необходимым для включения меж­ слойных переходов) и эквивалентной стоимостью исключаемых благодаря этому коммутационных слоев и процессов их изготов­ ления. В настоящее время межслойные переходы выполняются в виде сверленных отверстий диаметром 0,135 мм в контактной площадке диаметром 0,025 дюйма (0,635 мм) через слой платы. равный 0,008 дюйма (0,203 мм). К 1990 г., вероятно, все эти ·i размеры уменьшатся на 50%, что потребует еще более повысить точность обработки коммутационной платы. Основное достоинство межслойных переходов, выполненных одновременно с изготовлением платы, например по ~1етоду Den- strate фирмы Contraves (рис. 3.2), заключается в возможности увеличить плотность межсоединений, поскольку трассировка не усложнена наличием отверстий, которые вызывают затруднения в производстве традиционных коммутационных плат. Комбини­ руя глухие и внутренние межслойные переходы, можно свести число сигнальных слоев до двух и тем самым уменьшить общее число слоев коммутации. Это способствует одновременному уве­ личению плотности коммутации и минимизации числа соедине­ ний между знакоместами на плате, что особенно характерно для метода Denstrate. Сторонники применения межслойных переходов утверждают, что в плане уменьшения площади, занимаемой компонентом на плате, межслойные переходы более предпочтительны, чем стан­ дартные методы изготовления коммутационных плат, в особен­ ности для техники монтажа DIР-корпусов в отверстия. Межслой­ ные переходы позволяют также увеличивать количество отводи­ мого тепла при формировании в них вертикальных теплопрово­ дящих столбиков, соединенных с теплоотводящей шиной. В этом случае они не несут электрической нагрузки. Однако, если с по­ мощью межслойных переходов уменьшается число слоев и плата становится тоньше, чем обычно, может возникнуть необходимость механического усиления самой микросборки. Сверление межслойных переходов, особенно глухих, связано с некоторыми трудностями. Точность позиционирования компо­ нентов, обеспечиваемая современным оборудованием, составляет 0,001 д!Ойма (0,025 мм) или менее от их номинального положе­ ния, а точность позиционирования отверстий больше этого зна­ чения. Для ТПМК необходима гораздо более высокая точность. поскольку на типичной контактной площадке диаметром 0,01 Z дюйма (0,3048 мм) с отверстием диаметром 0,008 дюйма (0,2032 мм) для компенсации погрешности остается лишь круг­ лый ободок шириной 0,002 дюйма (0,0508 мм). Для обеспечения требуемой глубины отверстия глубина сверления должна ТОЧНО' выдерживаться. В случае технологии Denstrate, например, свер­ лильное оборудование снабжается сложными датчиками контро­ ля точности сверления по контрольному отверстию (теы самым 6-1533
82 1,5 .,.,, ~ ~ 1,0 t: :е с: о с:: ""' :ь ~~ "'" ~~0,5 :i::,s; :)J Q ,, .- С( С( "'3" о с:: i::: Глава 3 20 40 60 Коn11чество выаодоа б Рис. 3.2. Система Deпstrat e: а - МИ!\рошлиф многослойной платы с межслой­ ным переходом через глухое скрытое отверстие; б - относительные площади, занимаемые ком.понен т ами ра зли чного конструкторского исполнения {с разре- шения Coпtraves AG). обеспечивается минимизация погрешностей, вызванных колеба­ ниями толщины платы) и тщательного контроля точности полу­ чения размера по оси Z; при этом сверло должно входить в плату строго по нормали. В технологии Denstrate во всех случаях про­ изводится сверление на относительно малую глубину, если учи­ тывать удачно . выбранный формат отверстия, что, с 0.1.ной сто-
Коммутационные ппать1 дпя поверхностноrо монтажа ФОJDмИрование внутренних слоев коммутации методами фотопитографии Формирование много­ спойной структуры Сверление сквозных отверстий Очистка сквозных отверстий Металлизация СКВl!ЗНЫХ отверст~й Формирование внешних · слоев коммутации методами <tотопитографии Создание припайной - маски(маскирование припоя~ шелкография, трассировка и испытании 11 Механическое сверпение отверстий во внешних споях платы Очистка сверленных отверстий Металлизации сквозчых отверстий Формирование внутренних слоев коммутации методами фотоrитографии Формирование много­ слойной структуры Сверпение сквозных отверстий Очистка сквозных отверстий Металлизация сквозных отверстий Формирование внешних слоев коммутац~и методами фотолитографии Создание припайной маски (маскирование припоя), шелкография, трассировка и испытания i Формирование внутренних слоев коммутации методами фотолитографии Формирование много­ слойной структуры Формирование отверсти~ - лазером через ок~а в маске Формирование лазером глухих отверстий Сверление сквозных отверстий Очистка глухих и сквозных отверстий Металлизация глухих и сквозных отверстий Формирование внешних слоев коммутации методами фотолитографи~ Создание припой.ной маски (маскирование припоя), шелкография, трассировка и испытани11 б Рис. 3.3. Процесс изготовления ме:.кслойных переходов: а - через сквозные отверстия; 6 - через механически высверливаемые глухие отверстия; в - через глухое отверстие, формируемое лазером (с разрешения Даны У. Корф, Inter- connect Technology lnc.) . роны, облегчает демонтаж компонента, а с другой - уменьшает люфт конца сверла. Сверление и металлизация отверстий долж­ ны проводиться до операции спекания слоев платы (рис. 3.3). Другим методом, использующим принципиально иную после­ довательность технологических операций, является лазерное сверление (мощность лазера обычно составляет 100 Вт). Лазер-
rnaвa 3 ное сверление осуществляется после соединения отдельных за­ готовок с коммутацией в плату; плата переворачив а ется, и меж­ слойные переходы можно последовательно изготавливать на обе­ их ее сторонах. Лазерное сверление требует высоких капитальных затрат и относительно низких затрат на технологию сверления, · пос ко.1ьку сверлению подвергаются не отдельные заготовки, а в целом почти готовая плата . Новые обр а зцы оборудования для лазерного сверления, разработанные некоторыми компаниями (например, Electro Scientific Industries, США), спо с обны фор­ мировать до 30 отверстий в секун ду с точностью 0,0015 дюйма (0,0381 мм). · Лазер настр а ивается таким образом, что луч прожигает слой диэлектрика, но отражается от первого внутреннего медного слоя коммутации. Отраженный луч сигнали з ирует об окончании про­ цесса сверления, после чего лазерный луч перемещается к сле­ дующему отверстию. Лазерное сверление было применено к большинству распространенных материалов основания коммута­ rшонных плат (включая полиамид и тефлон), с его помощью фор­ мируется межс.лойный переход, достаточно устойчивый к интен­ сивным деформациям по оси Z во время термоциклирования. Однако в гораздо большей мере преимущества лазерного сверления проявляются при проектировании платы . Это связано с воз,10.жностью исключения контактных площадок у межслой· ных переходов, поскольку сами переходы могут выполняться ши­ риной (диаметром) практически 0,015 д юйм а (0,381 мм), т . е. по меньшей мере на 40% меньше, чем отверстия, формируемые м е ­ ханическим сверлением. Следовательно, плотность монтажа уст­ ройств на таких платах может быть нам н ого выше. Типичные преимущества лазерного сверления можно проде­ монстрировать на примере, пред ставленном Даной У. Корф из - США. Так, в процессе проработки одного из проектов было уста­ новл е но, что если использовать навесные компоненты в 16-вывод­ н ых корпусах типа SO, коммутационные дорожки шириной 0 ,005 дюйма (0,127 мм) и ла з ерное сверление, то плотно с ть мон­ тюка :-.1ожно увел ичить до тако й степени, что 94% поверхности платы будет занято этими корпусами . Если же использовать ме ­ х а ническое сверление отверстий, то теми же корпусами будет зан я то всего лишь 73% поверх н ости платы. Наконец, стоимость лазерного сверления сравнима со стоимостью механического. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ВЫБОР МдТЕРИАЛОВ*J Техника поверхностного монтажа обусловливает разработку коммутационных плат с повышенными электрическими характе­ ристиками и теплоотводом, что особенно важно для быстродей- •> Этот раздел подготовлен на основе информации, представленно й докто­ рами А. .К. Казенсом и Дж . С. Уптакером из Newmarket Microsystems Ltd.
Коммутационньrе платы для поверхностноrо монтажа 85 ствующих устройств, Выполнение требований к электричес'ким характеристикам связано прежде всего с объемным сопротивле­ нием диэлектрического материала основания коммутационной платы, которое должно быть как можно выше (диапазон объем­ ного удельного сопротивления используемых или рассматривае­ мых как пригодные к использованию материалов обычно состав­ ляет 109 -1016 Ом· см). В отношении материалов плат для быст­ родействующих устройств предпринимаются попытки максималь­ но снизить их диэлектрическую проницаемость для уменьшения паразитной емкости. Вместе с тем необходима совместимость ма­ териа.1ов коммутационных плат с материалами разрабатываемых сверхбыстродействующих интегральных схем, например с арсе­ нидом галлия. Обычно традиционная стеклоэпоксидная плата имеет диэлектрическую проницаемость порядка 4,8. Большинство новых материалов имеет меньшую диэлектрическую проницае­ мость, например арамидэпоксидные материалы - 3,9, а некото­ рые стеклотефлоновые композиционные материалы- 2,3. Весьма перспективны для изготовления коммутационных плат фторполи­ меры из-за простоты технологии их обработки и низкой диэлек­ трической проницаемости. Две близкие конструкторско-технологические, разработки ком­ мутаuионных плат представляются весьма перспективными для ТПМК: заказные платы с заданным полным сопротивлением ли­ нии коммутации и со встроенными пассивными компонентами. Согласование характеристического сопротивления коммутацион­ ной п.1аты с наиболее важной из устанавливаемых на ней интег­ ральных схем означает отсутствие отражений или искажений в тракте Передачи сигнала на высоких частотах. В настоящее вре­ мя осуществить такое согласование исключительно трудно, по­ скольку допуски на импеданс коммутационной платы могут до­ ходить до +25%. Это объясняется комш1ексом причин: разбро­ сом по толщине диэлектрического материала, неточностью соотношений эпоксидной смолы и стекловолокна в составе ма­ териала основания платы от партии к партии, просто воздейст­ вием медной фольги или подтравленной коммутационной дорож­ ки, которые во многом определяют допуск на импеданс. Вероят­ f\О, в течение пяти ближайших лет развитие быстродействующих устройств будет способствовать уменьшению допуска на импеданс до уровня не более ±5%, что в свою очередь потребует от изго­ товите.1ей коммутационных плат реализации более жестко кон­ тролируемых технологически_х процессов. Использование для плат материалов, обеспечивающих заданный импеданс, и соответству­ ющих технологических процессов позволило создать конструк­ цию, содержащую пассивные компоненты непосредственно в структуре коммутационной платы. Встраивание конденсаторов малых номиналов в принципе представляется возможным, однако на практике в настоящее время получены пока- лишь платы с
86 Гnава 3 резистивными нагрузками. Это означает, что резисторы могут быть электрически соединены непосре дственно с полупроводни­ ковой ИС через металлизированное сквозное отверстие . В наи­ более известной на настоящий момент технологии патентованный материал для плат («Ohmega-Ply» производства Ohmega Tech- nologies Corp.), представляющий собой комбинацию слоев ни­ келя и меди, наносится на диэлектрический слоистый материал основы (выбираемый из широкого набора материалов - от стек­ лоэпоксидного до фтор полимеров), после чего методом селектив­ ного травления формируются встроенные резисторы. Допуск на номинал резистора равен ±10% и более надежно обеспечивает­ ся элек'Dролитическим осаждением, чем при использовании на­ весных чип-резисторов, которые при выполнении полного электри­ ческого соединения их с коммутационной платой могут быть смещены с места их позиционирования. Для менее ответственных применений на рынке можно при­ обрести недавно появившиеся резистивные полимеры. В случае, когда требования к стабильности не являются решающим кри­ терием, можно рекомендовать использование проводящих паст на основе углеродосодержащих чернил. В сочетании с ТПМК толстопленочные системы на основе по­ лимеров открывают большое разн·ообразие возможности их реа­ лизации. Применение толстых полимерных пленок обеспечивает ряд преимуiцеств: пасты довольно быстро отверждают.ся (при до­ статочно низких температурах) и могут использоваться для со­ здания полностью аддитивного технологического процесса (са­ мые простые коммутационные платы обычно изготавливаются методами субтрактивной технологии). Кроме того, при этом су­ ществует возможность широкого выбора материалов основы пла­ ты, поскольку в данном случае к материалу предъявляются всего лишь два основных требования: минимальная рельефность по­ верхности платы и устойчивость к температурным воздействиям . Причем требования к рельефности весьма относительны, так как по всей вероятности в будущем внушительное количество плат будет производиться в виде монолитных систем с трехмерной разводкой коммутации (рельефные или объемные платы), выпол­ няющих одновременно функцию коммутационных плат и корпу­ са устройства. Имеются сведения о реализации рельефных плат с применением по крайней мере двух технологий (например, тех­ нология, разра·ботанная фирмой РСК Technology Division). Так называемая «фотоселективная» технология включает литье пласr-. массы с использованием нагрева УФ-излучением и последующую мета·ллизацию медью. С помощью этой технологии можно полу­ чить металлизированные сквозные отверстия, при этом вся рель- ефная поверхность платы должна подвергаться воздействию УФ- ·1··· излучения, за исключением участков, закрытых фотомаской. Это метод одноступенчатого литья. Существует вариант с коммерче-
Коммутационные платы для поверхностноrо монт11ж11 87 ским названием «Mould-n-Plate», предполагающий двухступен­ чатое .1итье, но без применения фотомаски. Пластмасса, сфор­ мированная на первом этапе литья, ~покрывается медью методом химического осаждения; на втором этапе литья следующий слой пластмассы формируется в виде маски для создания разводки в проводящем слое, полученном после первого этапа. Другие процессы предполагают широкое привлечение лазерной 1ехнологии, например для формирования коммутационных до­ рожек, но эти технологические разработки еще не вышли из ста­ дии НИР. Лазер может использоваться для удаления сложного покрытия, нанесенного на изолирующую подложку, а также для вскрытия ~проводящего материала через изолирующий слой. Кро- · ме того, уже реализована лазерная селективная трассировка коммутации путем удаления экспонированного («темного») по­ лимера, вскрытия ·подслоя металлизации и формообразования элементов коммутации. Исследователи фирмы Toshiba используют также лазеры для получения недорогим способом углеродосодержащих резистив­ ных слоев из полим·ерного композиционного материала на стек­ лоэпоксидной и бумажнофенольной подложках. Последнюю япон­ ские фирмы предпочитают использовать для большинства изде­ лий бытовой электроники. Полученные углеродосодержащие пленочные резисторы, как следует из сообщений, по качеству сравнимы со стандартными полимерными резисторами. Толстые полимерные пленки в перопектИве позволят реализо­ вать возможности смешанных технологий, поскольку, по утвер­ ждению специалистов Newmarket Microsystems (английской ком­ пании, занимающей передовые позиции в этой области исследо­ вания), паяемые медные подложки ком1мутационных плат с мед­ ными контактными площадками, содержащими припой, могут быть совместимыми с тол.стопленочной технологией, используе­ мой. д•lЯ изготовления резисторов. На их поверхность можно так­ же монтировать компоненты, например чип-резисторы. С по­ мощью многослойной структуры проводников можно, вероятно, также реализовывать, частично или полностью, внешние слои коммутации, но без проведения повторного отжига, как в случае обычной толстопленочной технологии. Имеются и другие существенные преимущества. Так, подлож­ ка, коммутационные дорожки и резисторы, выполненные мето­ дами полимерной технологии, требуют меньших затрат средств, чем в традиционной технологии. Однако полимеры в настоящее время непригодны для высоконадежных схем, поскольку темпе­ ратурный коэффициент сопротивления у них хуже, чем у тради­ ционных резисторов. Существуют некоторые сомнения относи­ тельно паяемости многих толстопленочных проводников, поэтому перед пайкой обычно требуется дополнительная металлизация
88 rn111111 э контактных площадок. В противном случае должна применять­ ся микросварка с помощью алюминиевой микропроволоки. Выбору полимерной системы следует уделять большое внима­ ние. Основными материалами в полимерной технолоrии являют­ ся термореактивные и термопластичные полимеры (последние отличаются тем, что плавятся при повторном нагревании после отверждения). Очень важно также правильно выбрать режим от­ верждения. Процесс отверждения обычно проходит в конвекци­ онной печи, хотя в настоящее время для промышленного приме­ нения разрабатываются печи с использованием ИК-нагрева, что значительно ,сокращает длительность процесса отверждения. 'Эф­ фективность методов с ИК-нагревом также существенно выше, поскольку разные полимерные системы характеризуются силь­ ным поглощением излучения на длинах волн ИК-диапазона; об­ раэующиеся при этом химические связи имеют максимальную прочность (на молекулярном уровне полимера). Благодаря это­ му формируется пленка со стабильными электрическими пара­ м:етрами и минимальной усадкой после отверждения. Фирма Newmarket Microsystems, Великобритания, провела углубленные и~следования, касающиеся вопросов паяемости. Было обнаружено, что для большинства применений проводящие пасты имеют вполне приемлемую удельную проводимость. Од­ нако, несмотря на то что алюминиевая проволока достаточно хо­ рошо приваривается ,с помощью клинообразного инструмента к контактным площадкам платы, покрытьiм медью (никелем), свар­ ные соединения обладают невысокой прочностью. Сам же ком- понент закрепляется надежно. Что касается диэлектрическ~х ~ паст, то компания столкнулась с некоторыми трудностями, свя­ занными с их печатью, в частности с недостаточной разрешающей способностью печати для формирования отверстий межслойных переходов, в том числе глухих. Вообще печать этих паст явля- ется сложной технологической операцией из-за различной рерло- гии паст, хотя по своим электрическим свойствам _они пригодны для использования. Качество резисторов, формируемых на осно- ве полимерных систем, также оказалось достаточно высоким, но все же, как правило, оно уступает по некоторым показателям толстопленочным резисторам (и, естественно, показателям на­ весных чип-резисторов). Допуск на номинальное сопротивление полимерного резистора во многом зависит от материалов исполь­ зуемой подложки: исследователи полагают, что максимальная точность достижима лишь при увеличении количества техноло­ гических операций, например с помощью нанесения между под­ ложкой и резистором промежуточного диэлектрического слоя. Разнообразные конструктивно-технологические варианты изго­ товления устройств с использованием полимерных материалов представлены в табл. 3.2 (см. также рис. 3.4 и 3.5).
Таблица 3.2 . Конструктивно-технологические варианты изготовления устройств с использованием полимерных материалов*> Ко11структивно-тех-1 и·о11огический ва­ риа11r Подложка Коммутация Особе1111ости монтажа компо­ неlП'ов Полностью поли- Полимерный композицион- Полимерные толстопленоч- Пайка или прнклейка (про­ мерная система ный материал (FR4 или ные проводники, чередуе- водящим клеем) на кон:rакт­ другая многослойная струк- мыс с толстопленочным ди- ных площадках платы; монтаж тура), а также пластмас- электриком гибкой проволокой на полимер- совый конструктив ных проводниках К:оммутацнонная Стандартная двухсторон- Медные проводники, полн- Пайка на медных нлн полн­ плата и полнмер- няя плата с металлнзиро- мерные толстопленочные мерных проводниках; монтаж ная многослойная ванными сквозными отвер- проводники, чередуемые с с nомощью проводящего клея структура стнями диэлектрическим покрытием на полимерных проводниках; Наружные поли- Керамическая мерные провод- ники •) С разрешен11я Newmarket Microsystems Ltd. монтаж гибкой проволокой на полимерных н медных провод­ ннках Толстопленочные проводнн- Пайка илн приклейка на лю­ ки; структура на основе ке- бую из толстых nленок; мон­ рамических материалов, по- т.аж гибкой проволокой на крытая с одной или двух толстопленочной керамической сторон слоем полимерного или полимерной проводящей проводника и полимерного толстой пленке диэлектрика Примениемые резисторы Печатные резис­ торы и (или) на­ весные ~иn-резис­ торы Печатные резисто­ ры н (или) навес­ ные чип-резисторы Печатные толсто­ пленочные резис\О­ ры из керамики на основе оксида ру­ тения (подверга­ ются подгонке пе­ ред нанесением на ннх полимерной толстой: пленки); печатные полимер­ нь1е чип-резисто­ ры, монтируемые с помощью пайки или с применением проводящего клея
!Ю Гnава 3 Чиn-конденсатор Рис. 3.4. Фрагмент микросборки с применением полимерной технологии (с раз­ решения Newmarket Microsystems Ltd.) . · Метод трафаретной печати иногда применяется наряду с фо­ толитографией, например при маскировании проводящих доро­ жек от затеканий припоя. Разрешающая способность ручной опе­ рации 11олучения толстопленочных элементов с исполь'Зованием трафарета на основе ткани составляет 0,002 дюйма (0,0508 мм); металлический трафарет имеет разрешение 0,001 дюйма (О,0254 мм), однако многие изготовители еще не имеют доста­ точного опыта трафаретной печати с разрешающей способностью лучше 0,001 дюйма (0,0254 мм). Распространенное, но дорогое оборудование может реально пропечатывать линии шириной от 0,003 дюйма (О,0762 мм) до 0,005 дюйма (0,127 мм) с точностью 0,001 дюйма (0,0254 мм). На таком уровне точности воздействие окружающей среды становится существенно значимым фактором и может возникнуть необходимость в испо.(Iьзовании чистой ком­ наты. ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ КОММУТАЦИОННЫХ ПЛАТ Одним из способов решения проблемы согласования материа­ лов коммутационных .плат по ТКР (температурный коэффициент расширения) с точки зрения качества паяных соединений явля­ ется правильный выбор материалов для изготовления самой пла­ ты. Было бы идеально, если бы ТКР известного или вновь ·разра­ ботанного материала основания платы совпадал, скажем, с ТКР керамического кристаллоносителя. Обычно керамика имеет ТКР порядка 6· I0-6 град- 1 ; ТКР широко применяемого стеклоэпоксид­ ного материала, например типа FR4, более чем в два раза больше, порядка (14-18) · I0-6 град- 1 • Большинство новых материалов, рассматриваемых применительно к ТПМК, имеет довольно близ­ кие значения ТКР, лежащие в пределах (6-16) · 10-6 град- 1 • Стеклотефлоновая слоистая структура, являющаяся довольно перспективным в некоторых отношениях материалом, имеет ве­ личину ТКР, равную 20· l0-6 град- 1 , и низкую температуру стек­ лования (75 °С). Некоторые слоистые структуры из модифициро­ ванного политетрафторэтилена (например, семейство материа-
9 \ Коммутационньrе ппаты дпя nоверхностноrо монтажа 10 16 \ ~ а 11 12 13 б 18 б 91 Рис. 3.5 . Варианты конструкции толстопленочной гибридной микросборки, выполненной с применением полимерной технологии: а - толстопленочная ГИС (для наглядности показана однослойная конструкция, хотя возможны много­ слойные, выполненные на полимерной плате); б - коммутационная плата тол­ стопленочной микросборки с многослойными полимерными покрытиями; в - толстопленочная микросборка, выполненная на анодированной алюминиевой плате по полимерной технологии (с разрешения Newmarket Mickosystems Ltd): 1- припой; 2 - чип-конденсатор; 3 - припайная площадка; 4 - толстопленоч­ ный резистор; 5 - полимерная несущая плата; б - навесной бескорпусной ак­ тивный компонент; 7 - толстопленочный проводник; 8 - диэлектрик; 9 - про­ водник из меди; )О - корпусированный компонент, монтируемый на поверхности платы; 11 - полимерный диэлектрик; 12 - чип-конденсатор; 13- полимерный толстопленочный проводник; 14 - металлизированное сквозное отверстие; 15 - коммутационная плата; 16 - гибкий монтаж безкорпусного компонента с по­ мощью полимерного клея, содержащего золото; 17 - полимерный проводник; 18 - печатный резистор (после подгонки); 19 - подложка из анодированного алюминия. лов RIOSHI, разработанных фирмой Rogers Corp.) действитель­ но обладают низким ТК.Р (8· I0-6 град- 1 ), низким модулем упру­ гости и малой диэлектрической постоянной. В настоящее время выделились два основных направления развития исследований в области создания материалов коммута­ ционных плат:
92 fnaaa 3 8 Сочетание волокнистых модификаторов, имеющих низкий ТКР, с qрганическими смолами (например, эпоксидная смо­ ла- кевлар, полиимид- кевлар, полиимид- кварц). • Сочетание компенсационного слоя (или сердечника) платы, имеющего низкий ТКР (например, медь-инвар-медь, сплав 42, сплав медь-молибден-медь, медь-rрафит) со стекло­ эпоксидной или стеклополиимидной многослойной структурой (рис. 3.6). Кевлар, в сущности, имеет самый низкий ТКР (по оси Х, У) из всех перечисленных материалов (3-7) · .10-в град- 1 и мень­ шую диэлектрическую постоянную, чем стекJiо (что особенно важ- -4 -2 -5 -6 J.,..,....,........,.....,.........,...,....,.....,,....,.....,......-т--,f _ 1 -2 ""'"'....,...,,....,.....,.........,...,....,.....,,....,.........,..-т--,f - 1 Рис. 3.6 . Типичная многослойная плата с шинами питания и заземления нз инвара, плакнронанного медью (с разрешения Роберта Э. Рейнолдса, Texas Iпstrument Iпс.): 1 - сигнальная медная шина (либо шина заземления) тол­ шиной 0,0014 дюйма (0,0356 мм); 2 - стеклоэпоксидиый материал толщиной 0,004 дюйма (0,1016 мм); 3-стеклоэпоксидный материал толщиной 0,006 дюй­ ма (0,1524 мм); 4 -шииа заземления из ннвара, плакированиого медью, тол­ щиной 0,005 дюйма (0,127 мм); 5 - шина питания нз ннвара, плакированного· медью, толщиной 0,005 дюйма (0,127 мм); 6 - стеклоэпоксидный материал толщиной 0,006 дюйма (0,1524 мм). но для быстродействующих устройств), но довольно сильно по­ глощает влагу и подвержен микрорастрескиванию, что связано с высоким ТКР по оси Z (перпендикулярно подложке). Сущест­ вуют также трудности в получении хорошей адгезии составов «смола - волокно» с композиционными материалами включая кевлар. В сравr~ении с имеющимися матери?лами для ~зготовле­ ния -коммутационных плат кевлар обладает значительными пре­ имуществами: он примерно на 20% легче стеклоэпоксидного ма­ териала и т. д., однако специалисты считают технологию его об­ работки довольно сложной. Основным доводом против использования материалов с ком­ пенсационным слоем является их вес, но с учетом перспективы "'-уменьшения габаритов коммутационной платы в будущем этот фактор может стать менее существенным. Кроме того, металли-
Коммутационньrе ппаты дпя поверхностноrо монтажа 93: ческие компенсаторы могут служить в качестве теплоотвода. Ве­ роятно, основным материалом юомпенсационного слоя в плане перспективы применения является инвар, плакированный медью, который достаточно широко применяется в производстве комму­ тационных плат на фирмах-изготовителях сложной аппарату­ ры, таких как АТТ, которая использует его в евоей системе WE 32 ООО. Каждая система содержит шестислойные платы 2,5 Х Х3,5 дюйма (63,5Х88,9 мм), несущие на одной плате до шести безвыводных керамических (с 84 контактными площадками) кри­ сталлоносителей. В качестве материала компенсационного слоя инвар относительно недорог. Перспективным материалом для бо- 1 лее эффективного отвода тепла является молибден, плакиро-­ ванный медью, хотя и стоит дороже. В табл. 3.3 и 3.4 приведены материалы, используемые в на-­ стоящее время для изготовления коммутационных плат, и ых ос-­ новные характеристики. М.АСКИРОВ.АНИЕ КОММУТ.АЦИОННЫХ ПЛ.АТ в .АДДИТИВНОМ ТЕХнолоrии Все большее распространение при создании электронной ап­ паратуры получают методы проектирования и формирования кон­ фигурации элементов коммутационных плат на основе аддитив­ ной технологии, включая использование маскирования проаодя­ щих дорожек из меди (SMOBC- Solder Mask Over Ваге Cop- per), которое в большинстве случаев обеспечивает более высо.кую­ надежность формирования элементов плат, чем традиционные методы (рис. 3.7). Плата, изготовленная приемами аддитивной технологии, представляет собой преимущественно планарную конструкцию с нанесенным в местах отсутствия маски (в окнах маскирующего слоя) припоем, осаждаемым вровень с фоторе­ зистом. Применявшиеся до недавнего времени традиционные - коммутационные платы для ТПМК. бы.'lи субтрактивными, при этом медные проводники выступали над поверхностью платы и для защиты от внешних воздействий (в том числе технологиче­ ских) необходимо было наносить на них через маску конформное покрытие. При этом часто наблюдались неполное маскирование или недостаточная адгезия ПО.J<рытия с материалами платы. В субтрактивной технологии более вероятны пузырение защит­ ного покрытия или отслаивание фольги. Еще одним недостатком таюой технологии является повышенная возможность скопления припоя и флюсов (включая продукты разложения) в результате попадания их в пустоты (ловушки), образующиеся при некачест­ венном маскировании. К.ак известно, аддитивный метод был разработан с целью ме­ таллизации сквозных отверстий для монтажа компонентов в тра­ диционной технологии, однако он обладает также весьма спе-
fаблица 3.3. Материалы для иЗrотовления коммутационных плат и их основные характеристики*) Ма-rериал Рабочая тем- Модуль уrтруrости, ЛТК:Р (по отиоше- .J. фактор (модуль I<:оэффициеп:r пература фунт/дюйм 2 ТК.Р , "С нию к оксиду алю- упругостиХЛТI<:Р) прогиба, фунт/дюйм мииия) Оксид алюмнння 40· 108 6,4 · 10-8 о 40· 108 Тефлон (н е модн- 100 °С 0,015· 106 100·10-8 94,6 · 10-8 1,4 15·103 1 фнцнрованный) 23°С 0,0516 · !08 4,9 51,6· 103 56 °С о, 1·108 9,46 100· 103 Полннмнд (кап- 0,61·106 тон) 45 · 10-8 38,6· 10-8 23,5 610· 103 Полннмндное 4,5 · 108 16·10-8 9,6 · 10-8 43,2 4,5· 104 стекловолокно Медь 17.108 17,6·10-0 11,2.10-6 190,4 17·104 Припой (63/37) 100 °С 1,8· 108 22 .10- 0 27,6 1,8· 104 23 °С 3,О· 108 21,5 · 10-8 15,35 46, 1 3,0·104 -56°С 4,7·106 21,5· 10-8 72, 1 4,7· 104 Силиконовая -23 °С 0,225 · 103 810· 10'" 8 804 ,5 · 10-8 о, 1822 О,225· 103 резина Алюминий 10· 108 23, 7 .10-0 • ) С разрешеии11 П. Р. Джонса, фирма Engineering Consultant. t1 ••• • •. га rr7eч ·m т т qr п гФй'"' 111:.ВJ
Коммутационные платы для поверхностноrо монтажа ''"'"'"'"'" ~ ,4· ' технология l.~----1 ______2______.J--3 Аддитивная технология Субтрактивная технология 3 3 3 9 3 } / а 1\ б ь Аддитивная технология ~~ ~~ - ~~ 3 ~ ~~~ 3 Субтрактивная технология 10 Аддитивн~я технология 95 J ! Рис. 3.7 . Сравнение субтр;жтивной и более надежной аддитивной технологий изготовлеяия коммутационных плат: а - формирование маски припойнего по­ крытия; б - рельеф поверхностей плат, получаемых разными способами; в - - дозированное нанесение припоя на платы перед пайкой компонентов в корпу­ сах PLCC, SOIC и SOT (с разрешения К:ollmorgeп Corp.); 1- газовая полость после нанесения припоя; 2 - отсутствие припоя; 3 - основание платы; 4 - медь; 5 - маскирующее покрытие; 6 - припайное покрытие; 7 - перемычка припоя; 8 - конфигурация контактной площадки с припоем после его оплавле­ ния; 9 - часто используемая маска, предотвращающая затекание припоя за границы припайной площадки; 10 - припой.
Таблица 3.4. Сравнение с.1оистых структур А.IЯ коммутационных nлат•1 Материап Показатели, оцеНJ1ваемые по.пожнтельио Показатели, оцениваемые отрицательно Эпоксидная смола - стекловолокно Диапазон выбора размеров достаточно шн- Невысокая удельная рок; ремонтопригодность; хорошие дн- ТК:Р по осям Х, У и Z электрические свойства; возможность ис- теплопроводность; Полиимид - стекловолокно пользования приемов традиционной тех- нологии обработки Те же, что и для материала эпоксидная Невысокая удельная теплопроводность; смола - стекловолокно. К:роме того, ли- ТК:Р по осям Х, У н Z; повышенная вла­ нейная деформация по осн Х наблюдается гопоглощаемость при высоких температурах Эпоксидная ' смола - ар амидное локно (кевлар) во- Те же, что и для материала эпоксидная смола - стекловолокно, но вес гораздо меньше (наилегчайший); небольшой ТК:Р поосямхиу Невысокая удельная теплопро.водность; ТК:Р по осям Х н У; возможны мнкрорас­ трескнвання смолы; повышенный ТК:Р по осн Z; влагопоглощаемость . Полиимид - арамндное , волокно Те же, что и для материала смола - арамндное волокно, осн Z значительно меньше эпоксидная rlевысокая удельная теплопроводность; но ТК:Р по ТК:Р по осям Х н У; возможны мнкрорас­ трескнвання смолы; влагопоглощаемость Эпоксидная смола - кварц леный кремнезем) (плав- Днапазон выбора размеров, а также не­ большой вес, ремонтопригодность такие же, как у материала эпоксидная смола - стекловолокно; днэлектрнческне свойства и технология обработкн такне же, · как у обычных плат ........---·"'-···'· Невысокая удельная теплопроводность; ТК:Р по осям Х и У; повышенный ТК:Р по осн Z; недостаточно высокое качество свер­ ления; объем выпуска ограничен; стои­ мость недостаточно низкая; малое содер­ жание смолы .~-----'fii!-'ii11·,·c.Мr1foi· k>'iiФ"'"~""._:.:.z;,,,.,._.-;:o.ip..Oьf?h:a.1i'·;ir;yii11· _. ..,__ ? • - CC-@iol' lillФllllMlllli"
Полннмнд - кварц (плавленый крем· везем) Стекловолокно - композ1щнонное арамндное волокно I(оммутацнонная плата на жестком основаннн нз материала с ннзкнм ТК:Р (металла нлн неметалла) Те же, что н для материала полннмнд - Невысокая удельная теплопроводность; арамидное волокно; малый ТК:Р по осн Z; ТК:Р по осям Х н У; недостаточно высокое приемлемый ·диапазон выбора размеров; качество ·сверления; ограннЧен объем вы. небольшой вес; ремонтопригодность, высо-· пуска; высокая стоимость кие днэлектрнческне свойства Те же, что и для материала по.nнимнд - Недостаточная удельнаs~ теплопроводность; арамндное волокно, но отсутствуют мнкро- ТК:Р по осям Х н У; влагопоглощаемость; трещины; малый ТК:Р по осн Z; диапазон налнчне ловушек припоя н флюса выбора размеров платы достаточно широк; малый вес; ремонтопригодность; высокие днэлектрнческне свойства Налнчне диапазона выбора размеров; ре- Вес платы недостаточно мал монтопрнгодность; возмо~ость нспользо- вання приемов традиционной технологии обработки; T:f\P по осям Х н У; обеспечи- вается жесткость конструкции, экраниро- вание от наводок н охлаждение устройства К:оммутацнонная плата со ·встроен- Те же, что н у плат на жестком основа- Вес платы недостаточно мал; требуется ным металлнческнм слоем (сердеч- ннн нз материала с низким ТК:Р точное совмещение внутренних слоев ником), имеющим низкий ТК:Р • J С раsрешения журнала E\ectronic Packaging and Production.
98 rnaвa 3 цифическими достоинствами применительно к ТПМК.. Во многом качество поверхностного монтажа зависит от плоскостности под­ ложки. Используя аддитивную технологию, можно получить по­ верхность подложки, мало отклоняющуюся от плоской, и осуще- · ствлять более управляемое и точное нанесение адгезива и, сле­ довательно, прецизионную установку компонентов. Формирова­ ние конфигурации элементов проводящего и диэлектрических слоев также осуществляется более точно и соответственно созда­ ется возможность формирования более узких дорожек и зазоров между ними, как правило, до величины "'0,0.05 дюйма (О,127 мм), в то время как традиционная технология, о чем уже говорилось, обеспечивает лишь размеры 0,007-0,008 дюйма (0,1778- 0,2032 мм) с некоторыми ограничениями в отношении коммута­ ционных дорожек, проходящих между контактными площадками. Затекание припоя и формирование перемычек между .контактны- .ми площадками в аддитивном методе также устраняется. Защи­ та дорожек и площадок боковыми стенками маскирующего по­ крытия во время процесса аддитивного нанесения, как утвержда­ ют специалисты фирмы Kollmorgen Corp., являющиеся лидерами в этой технологии, эквивалентна созданию идеально совм~щен­ ной маски. Запатентованная технология «Micro-Socket», разра­ ботанная фирмой Kollmorgen, предусматривает нанесение допол­ нительного покрытия, формирующего более надежные с точки зрения предуnреждения возникновения перемычек стенки кон­ тактных площадок и снижающего смещение компонента во вре­ мя пайки. Данная технология в равной степени совместима с пай­ кой в потоке припоя (подвод тепла с боковых сторон) и с рас­ плавлением дозированного припоя при использовании припайных паст (подвод ·тепла сверху). · КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТИ ПЛАТЫ Условия, в которых изготавливаются и обычно используются микросборки с поверхностным монтажом, существенно отлича­ ются от тех, .которые характерны для традиционных изделий. В частности, в технологии поверхностного монтажа очистка из­ делий после пайки является более сложной и ответственной опе­ рацией из-за наличия загрязнений, скапливающихся в зазорах между корпусами компонентов и поверхностью платы, особенно если учитывать вероятность ускорения коррозионных процессов. стимулируемых химическими реакция1ми в местах локального перегрева. Поскольку в настоящее время расстояние между про­ водниками в ТПМК составляет 0,005 дюйма (0,127 мм) или меньше, на поверхности КП возникают относительно высокие градиенты напряженности электрического поля (возможно, до· 150 В/мм), усиливающие ионное загрязнение платы и ускоряю­ щие тем самым формирование путей утечки тока. Анализ фак- , 1 \ 1 'i t1 1 ! 1
Коммутационные nnаты дnя nовархностноrо монтажа 99 торов, затрудняющих очистку смонтированных плат в ТПМК, все более и более раскрывает решающее значение тщательного контроля состояния поверхности КП. Существует два основных метода оценки качества поверхности: • По уровню ио,нного загрязнения. Этот метод основа,н на оцен­ ке 1~оличества раствор:имых в воде и спиртах .примесей. Для этого плата 1на определенное время погружается в смесь воды и ,изопропилового спирта. Количество перешедших в раствор примесей оценивается путем замера его проводимости и срав­ нения· с проводимостью исходного чистого раствора. После чего производится пересчет и определение среднего уровня загрязненности поверхности в микрограммах на квадратный сантиметр платы. • По величине поверхностного сопротивления платы. Этот ме­ тод чаще используется в качестве дополнительного. Критери­ ем оценки состояния поверхности в данном случае служит со­ противление участка платы между коммутационными дорож­ ками или между контактными площадками. Обычно слоистая структура основания платы имеет величину поверхностного сопротивления до 10 16 Ом на квадрат, хотя иногда эта вели­ чина может быть значительно ниже, например 10 10 Ом на квадрат. При измерении сопротивления участка платы на те­ стовые элементы подается, как правило, напряжение 100- 500 В с учетом требуемой полярности. Такой метод представ­ ляет собой разновидность разрушающего испытания, поэтому недавно фирма Protonique предложила метод испытания на­ пряжением 10,2 В. В присутствии загрязнений даже в _случае низких градиентов напряженности электрического поля начи­ нают проявляться некоторые нежелательные процессы, напри­ мер поляризация тестовой структуры при подаче отрицатель­ ного напряжения. Применительно к очистке традиционных плат существуют сравнительно новые стандарты (например, MIL-P -28809 в США и DEF-STAN 00-10/3 (1988 г.)в Великобритании), однако неясно, насколько оправданными являются жесткие требования этих стандартов на практике и насколько применимы они к ТПМК. Оценка ионного загрязнения продолжает оставаться удобным методом для использования в условиях массового производства, так как позволяет гораздо быстрее получать необходимые ре­ зультаты, чем при измерении поверхностного сопротивления платы. 7*
100 rnaвa 3 ТЕХНОПоrиЧЕСКИЕ ДОПУСКИ Нд ЭПЕМЕНТЫ КОММУТ.АЦИОННОА ПП.АТЫ*> Терминология. Анализ влияния технологических допусков н~ элементы значительно упрощается при использовании общепри­ нятой терминологии. Традиционно точность позиционирования определяется как наибольшее отклонение, например центральной. точки вывода компонента, от его номинального местоположения на .конта.ктной площадке и обычно рассматривается только при­ менительно к плоскости Х-У. Расчет суммарной погрешности упрощается,- если ввести по­ нятие «радиуса истинного положения», который равен макси­ мально допустимому отклонению размера и описывает круг е центром, совпадающим с номинальным (проектным) местополо­ жением этого размера. Радиусы истинного положения складываются, определяя об­ щую погрешность. Различают три типа погрешностей: погреш­ ности нулевого порядка (смещения компонента относительно но­ минального местоположения ·в позиции плоскости Х-У, линей­ ные или радиальные); погрешности первого порядка (возникаю­ щие вследствие многократного позиционирования и неперпенди­ кулярности центрирующих осей) и погрешности второго порядка (смещения по трем осям). _ Наиболее часто используемые в настоящее время платы для поверхностного монтажа компонентов имеют ширину и шаг ком­ мутационных дорожек 0,008 дюйма (0,2032 мм). Платы с одно­ слойной разводкой коммутации в США сейчас почти совсем не применяются, а платы с двухсторонней разводкой (двухслойные) быстро теряют свою долю рынка, уступая ее многослойным пла­ там, преимущественно четырехслойным. Несомненно, технологи­ ческие допуски на элементы коммутационной платы становятся все более жесткими . Для того чтобы автоматизированное сбо­ рочно-монтажное оборудование обеспечивало заданный уровень­ выхода годных изделий, необходимо высокоточное совмещение элементов платы с компонентами. Точность совмещения элемен­ тов платы и монтируемых компонентов должна быть не хуже ±0,002 дюйма (0,0508 мм), как показано на рис. 3.8. Погреш­ ности совмещения коммутационной платы могут компенсировать­ ся на этапе сборки при условии, что автомат-укладчик снабжен. встроенной системой технического зрения (см. гл. 7) . . Тех нол оги чес кие допуски связаны с четырьмя категориямТh погрешностей: погрешности изготовления оригинала шаQ.лона~ *> Подробный анализ технологических допусков на элементы коммутаци­ онной платы до монтажа можно найти в статье К:ристофера Дж. Амика (фир­ ма Micro Component Technology) в журнале «Circui ts manufacturing> 1986 г., сентябрь, с. 35-43.
Коммутационные ппаты дпя nоверхн 0 стноrо монтажа 101 ± 0,002 1 . направ~яющее ·-----т~7 технологическое ~ . отверстие . w 1 . +- . ±0,002 ,. \..: ~ Коммутационная ппата Рис. 3.8. Допуски на изготовление платы. Примечание. 1 дюйм=25,4 мм. погрешности за счет материала коммутационной платы, погреш­ ности, связанные с обработкой коммутационной платы, и погреш­ ности, вносимые сборочными автоматами. Соответственно реаль­ ное местоположение смонтированного компонента на плате за­ висит от накопления этих погрешностей. Недостаточная компенсация погрешностей на этапе установ­ ки компонента сразу же проявляется или в коротком замыкании элементов коммутационной платы (например, коммутационных дорожек) или в уменьшении площади контактирования вывода с контактной площадкой, что приводит к формированию нена­ дежного контакта, даже если в процессе пайки применяется мас­ кирование коммутационных дорожек от затекания припоя. Как показывает практика, необходимо, чтобы вывод компонента вы­ ступал за пределы его посадочного места не более чем на 0,001 дюйм а (0,0254 мм), а на контактную площадку должно приходиться не менее 60% ширины вывода. Изготовлен~ фотошаблона и технологических отверстий. Ти­ пичные абсолютные погрешности фотолитографии в процессе из­ готовления коммутационных плат могут составлять 0,00025 дюйма (0,00635 мм) при точности координатной сетки 0,005%. Наибольшая суммарная погрешность набирается- вдоль любой из диагоналей плать1. Допуск на расстояния между элементами платы в два раза превышает индивидуальные допуски элементов. Эти допуски связаны с погрешностями нулевого порядка и, как правило, составляют 0,001-0,002 дюйма (0,0254-0,0508 мм). Ряд операций фотолитографии, например экспонирование и про­ явление рисунка на плате, привносят другие погрешности, в част-
102 rмаа 3 ности погрешности первого порядка (связанные с влияннем тех­ нологических факторов), величина которых определяется диапа­ зоном температурного расширения используемых материалов (например, пленки полимера). Плюс к тому же изменение раз­ меров полимерной пленки может быть следствием воздействия влаги технологической среды. На этапе фотолитографии могут проявиться и погрешности второго порядка, связанные, например, с короблением материала платы. Погрешности изготовленного фотошаблона могут повлиять в дальнейшем на точность позиционированиЯ компонентов, если для контроля качества монтажа не применяется система техни­ ческого зрения или другие оптические средства контроля точно­ сти позиционирования. На это следует обратить особенное вни­ мание при размещении и изготовлении технологических отвер­ стий. Известно, что надо различать отверстия для установки ком­ понентов и отверстия в межслойной коммутации от технологиче­ ских отверстий, служащих в качестве направляющих для захвата плат инструментом при монтаже. При разработке фотошаблонов нужно осо·бенно учитывать требования к точности исполнения этих направляющих отверстий. Готовый фотошаблон должен с требуемой точностью учитывать все технологические отверстия независимо от способа их форми­ рования (метод пробивки или сверления). В большинстве случа­ ев направляющие отверстия целесообразно формировать на пе­ риферии плат. Эти отверстия иногда используют для оператив­ ного контроля размерных, масштабных и даже пространственных погрешностей при условии, что предусмотрено не менее двух ко­ ординатных систем. Комитет по испытаниям Ассоциации техники поверхностного монтажа в США провел оценку точности изготовления отверстий с точки зрения возможности их использования с имеющейся оснасткой. В результате было рекомендовано формировать тех­ нологические отв е рстия с допуском на их диаметр -О,ООО/+О,003 дюйма (-О,ООО/+О,0762 мм). Кроме того, рекомендуется заме­ нять ключево~ скос на углу платы технологическим отверстием - ключом, поскольку края платы не всегда целесообразно выби­ рать в качестве ключевого элемента. Для формирования техно­ логических отверстий на небольших микросборках рекомендует­ ся использовать участки платы, на которых отсутствует тополо­ гический рисунок. Эти отверстия следует применять для фикса­ ции плат в оснастке на различных операциях технологического процесса изготовления КП (сверление отверстий, травление ри­ сунка коммутации, испытания и др.). Это рекомендуется и для изготовления многосекционных КП (для многоплатных сборок). Отверстия в этом случае должны располагаться как на несущей плате, так и на примыкающих к ней платах.
Коммутационные платы дnя nоверхностноrо монтаже 103 Сверление. Совмещение инструмента с платой при сверлении отверстий производится в ·пределах окружности, описанной ра­ диусом истинного положения, составляющим 0,003 дюйма (0,0762 мм). Современное механическое оборудование позволяет получить точность совмещения сверла с требуемой координатной точкой платы (меткой) лучше, чем 0,001 дюйма (0,0254 мм) и воспроизводимость точности от отверстия ,к отверстию тоже 0,001 дюйма (0,0254 мм). Сверление технологических отверстий в многослойных платах свяэано с дополнительными трудностями, которые можно преодолеть применением сверления или предва­ рительного сверления совмещающих (направляющих) отверстий одновременно с основными отверстиями на плате. Это позволяет поддерживать точность взаимного расположения группы отвер­ стий на уровне 0,001 дюйма (0,0254 мм). Использование системы технического зрения уменьшает погрешность при сверлении. Зна­ ки совмещения (ориентирующие метки, например квадраты, окружности и т. д.) для сверления должны проектироваться с требуемой точностью, а в процессе сверления средства програм­ мирования автоматически компенсируют погрешности низшего порядка. Системы технического зрения способны обеспечить точность формирования отверстий лучше 0,00008 дюйма (0,002032 мм); их применение приведет к значительному уменьшению погрешности воспроизведения и выравниванию профиля высверливаемого от­ верстия даже в случае использования одноголовочных сверлиль­ ных установок. При сверлении с помощью многоголовочных уста­ новок нужна согласованность установочных размеров между главной (задающей) головкой и остальными. В случае необхо­ димости осуществляется автоматическая подстройка и регули­ ровка требуемых размеров. Стабильность размеров материалов основания плат. Еще од­ ним источником погрешности первого порядка является термиче­ ское расширение материала платы в процессе выполнения тех­ нологических операций при изготовлении КП и монтаже изделия. В этих случаях тепловое воздействие намного сильнее влияния влажности. Стеклоэпоксидный материал ·типа FR-4, например, имеет температурный коэффициент расширения около 14Х Х 1о-60с- 1 . Если изменение температуры технологической среды находится в пределах 5 °С, то отклонение размеров платы от но­ минальных вследствие тепловых воздействий составляет 0,001- 0,0015 дюйма (0,0254-0,0381 мм).
104 rм•а 3 ПРАКТИЧЕСКИА ПРИМЕР. РЕШЕНИЕ ВОПРОСОВ МОНТАЖА ИЗДЕЛНА ДЛЯ О&ОРОННОА ПРОМЫШЛЕННОСТИ Cambridge Consиltants Ltd, Кембридж, Великобритания Как научно-исследовательская организация, работающая по контрактам, фирма Cambridge Consultants Ltd (CCL) должна находить новаторские решения проблем, встающих перед заказ· чиком в связи с освоением ТПМК. Особенностью разработок ·фирмы CCL обычно является сверх­ высокая интегральная плотность изделий. Опыт изготовления электронных изделий показывает возможность снижения м-ассо­ габаритных показателей при переходе с традиционного на по­ верхностный монтаж примерно в 3 раза. Однако фирма CCL до­ бивается уменьшения данного по.казателя примерно в 6 раз. Это требует · большого профессионального мастерства при проектиро­ вании и изготовлении систем на коммутационных платах. . Для обеспечен-Ия выполнения таких разработок фирма рас­ полагает небольшой производственной линией, включающей по­ луавтоматические установки позиционирования, трафаретной пе­ чати (для нанесения припойных паст), установку пайки расплав­ лением припоя -в паровой фазе, систему очистки в парах нагре­ той жидкости и ремонтный участок. Капитальные затраты на оборудование в течение двух лет составили около 50 тыс. фунтов стерлингов. Хорошим примером выполнения проектов являет~я недавно разработанная фирмой перспективная авиационная электронная система. Детали функционирооания системы здесь не приво­ дятся, но основная часть ее работает как сверхбыстродействую­ щий . АЦП с высокой разрешающей способностью, который вы­ полнен с использованием оригинальных толстопленочных ИС, разработанных этой же фирмой. Система смонтирована на гиб­ ко-жесткой основе и установлена на стойке. Сборка всего уст­ ройства занимает примерно 1 день, что весьма немного для такой сложной системы. Связь с внешними устройствами осуществляется в данном случае с помощью гибкого шлейфа. Выводы платы имеют специ­ альную конструкцию и выходят на заднюю стенку стойки. По­ скольку устройство является сверхбыстродействующим, важной проблемой является отвод тепла. При проектировании конструк­ ции этот вопрос специально прорабатывался. В данном случае теплоотвод выполнен в виде молибденовой пластины, приклеен­ ной с обратной стороны платы. Для увеличения отвода тепла в конструкции изделия предусмотрены поперечные воздуховоды, через которые продувается сжатый воздух от одного из компрес­ соров самолета. Сборка плат с теплоотводом занимает от 1 до 1,5 дней. Дополнительный отвод тепла от мест с повышенным
Коммутационные nnаты дnя nо•ерхностноrо монтаже 105 нагревом к молибденовой пластине осуществляется с памощью специальных штырей. Эта система, возможно, напоминает техническое решение фир­ мы Ferranti для изделий, известных под торговой маркой Met- Lam и выпускаемых в трех модификациях в зависимости от ко­ личества отводимого тепла. Различие их конструкций заключа­ ется в основном в использовании межслойных переходов для отвода тепла· от платы либо компенсационных теплоотводящих металлических слоев в составе структуры платы. В СВЧ-устройствах конструкция и топология платы имеют особенно важное значение. В связи с этим поверхностный монтаж часто используется для макетирования сложных СВЧ-микросбо­ рок, на изготовление и испытание которых потребовалось бы сравнительно много времени. ТПМК не может сводиться к про­ стому совершенствованию традиционной технологии сборки. По­ верхностный монтаж связан не только с уменьшением размеров компонентов и элементов платы с вытекающими отсюда пробле­ мами, но и с. некоторыми особенностями корпусирования эле­ ментной базы и конструирования самого изделия нередко с уче­ том возможности двухстороннего монтажа на КП. ПРАКТИЧЕСКИR ПРИМЕР. ПРОfРЕССИВНЫЕ МЕТОДЫ КОРПУСИРОВАНИЯ ФИРМЫ SIGNAL PROCESSORS LTD. Кеннет Гарднер Signal Processors Ltd, Кембридж, Великобритания Фирма Signal Processors Ltd (SPL) - быстро развивающая­ ся компания, отделившаяся от Cambridge Consultants в 1982 г. Она занимается разработкой и изготовлением сложной аппара­ туры для спутников, а также различных устройств преобразова­ ния сигналов коммерческого и военного назначения, включая быстродействующие аналоговые и цифровые. В связи с требованиями миниатюризации аппаратуры и повы­ шением ее функциональной сложности фирма во все возрастаю­ щей степени вынуждена заниматься вопросами разработки и при­ менения перспективных методов корпусирования. В настоящее время фирма внедряет ТПМК в бортовую авиа­ ционную аппаратуру, где необходимо снижение массогабаритных показателей в 6 раз по сравнению с традиционными изделиями. Для упрощения технологического процесса вводятся специальные приемы, обеспечивающие повышение плотности монтажа. Среди этих приемов можно назвать изготовление закаэньiх и полуза­ казных ИС, а также заказных толстопленочных ГИС. По мере повышения быстродействия полупроводниковых ИС '' i1 '
106 Глава 3 вопросы корпусирования приобрет ают еще большую значимость, особенно при их размещении в микросборках. С развитием технологии производства быстродействующих ИС, например на арсениде галлия, фирма SPL приступает к раз­ работке новых материалов для несущих плат быстродействую­ щих микросборок. Требования к быстродействию сочетается с необходимостью применения коммутационной платы, пригодной для поверхностного монтажа компонентов в специальном испол­ нении, особенно больших керамических безвыводных кристалло­ носителей, при использовании которых лю.бое рассогласование по ТКР между подложкой и компонентом может вызвать по­ вреждение мест пайки, например во время циклического измене­ ния температуры изделия. Увеличение количества выводов ИС до 100 и более приводит к тому, что размер корпуса компонента начинает ограничивать повышение плотности монтажа устройства. Большая часть пло­ щади платы в этом случае расходуется под выводную рамку ком­ понента. Для более эффективного использования площади плат при монтаже СБИС необходимы специальные технические реше~ ния. Примером таких решений является использование кристал ­ лодержателей на ги бких лентах-носителях, а также технология монтажа перевернутого кристалла и компонентов с балочными выводами . Для оптимизации хар а ктеристик монтируемых уст­ ройств эти решения должны быть согласованы с выбором ма­ териалов плат, имеющих высокие диэлектрические характери­ стики, а также с функциональными особенностями изделий и высокой плотностью их монтажа. В настоящее время ТПМК используется в различных издели­ ях электроники, начиная от бытовых устройств и кончая военной апп а ратурой. Великобритания - один из главных изготовителей оборудования для поверхностного монтажа, охватывающего всю технологическую цепочку производства изделий с поверхностным монтажом . Развитие ТПМК будет наращивать темпы по мере подключе­ ния к его проблемам большего числа специалистов, занимаю­ щихся разработкой и изготовлением таких изделий. Этому спо­ собствует создание соответствующих объединений, как, напри­ мер , Группы поверхностного монтажа и .комплексных технологий, ставящих перед собой в качестве основной цели распространение !iНформации для специалистов промышленности. Стимулирование развития ТПМК осуществляется также бла­ годаря существующему научному эаделу в области технологии изготовления быстродействующих ИС, например на арсениде . галлия.
Глава 4 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЛдТ В ТПМК Технологичность конструкции в ТПМК: приобретает особую значимость, она является ключом к реализации достоинств этой новой техники и требует полной согласованности в работе подразделений, занятых проектированием устройств с поверхностным монтажом. Удачная конструкция является результатом решения многочисленных ком­ промиссных вопросов при ее создании. Улучшение выходных параметров уст­ ройств, а также эффективное использование оборудования и производственных площадей в процессе производства должно сочетаться с повышением техноло­ гичности конструкции изделий. Количество паяных соединений на плате с по­ верхностным монтажом настолько велико, что неудачно спроектированные из­ делия, вероятнее всего, будут иметь ухудшенные выходные характеристики. Кроме того, при проектировании следует учитывать необходимость доступа к большинству навесных компонентов для проведения технологического конт­ роля и своевременного обнаружения дефектов. Вновь разрабатываемые платы для ТПМК обладают улучшенными мас­ согабаритными показателями и предусматривают использование стандартизи­ рованной элементной базы. Учет специфики требований к плате на этапе проектирования способствует, в совокупности с другими факторами, реализа­ ции наиболее эффективного варианта конструкции изделия. Надежная конструкция изделия в ТПМК может быть реализована только с учетом требований технологического процесса его изготовления, но даже са­ мая лучшая конструкция из возможных принесет мало пользы при отсутствии конкурентоспособной технологии производства коммутационной платы. Конструкция плат для поверхностного монтажа более тесно связана с технологией изготовления, чем конструкция традици­ онных плат. Только при учете на этапе проектирования плат огра­ ничений, связанных с технологией изготовления изделий, их кон­ тролепригодностью и ремонтоспособностью, возможно создание в ТПМК надежных конструкций микросборок. Для каждой мик­ росборки необходимо анализировать характер влияния сочетаний различных факторов, как это указано в табл. 4.1. Важt~ейшей особенностью плат для ТПМК в сравнении с традиционными яв­ ляется повышенная плотность установки компонентов, меньшее расстояние между контактными площадками и меньший шаг коммутационных дорожек. При этом в значит~льной степени усложняются процессы сборки и монтажа, особенно на этапах пайки и контроля. Однако благодаря использованию специфич­ ной элементной базы поверхностный монтаж дает ощутимый выигрыш, например в улучшении электрических параметров . изделий. УЛУЧШЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК Только одна возможность улучшения характеристик изделий в ТПМК уже полностью оправдывает применение новой техники монтажа. Это объясняется тем, что, несмотря на почти полную
' r Таблица 4.1 . Проблемы, решаеМьtе nри проектировании плат в ТПМК Проектирование знакомест Необходимы высокая точность размещения компонентов и высокий уровень выхода годных изделий после пайки (применительно к многовыводиым кор· пусам) · с учетом требований высокой плотности монтажа , получаемой за счет использования малогабаритных корпусов. Проектирование масок (для нанесения фоторезиста, припойиой пасты и т. д.) должно осуществляться с учетом допусков на размеры топологических элементов и расстояния между ними. Могут потребоваться знакоместа весьма малых размеров, если необхо­ димо освободить место между ними под коммутирующие дорожки. Для улучшения смачиваемости припоем мест контактирования при пайке волной nрипоя требуются знакоместа увеличенных размеров. Повышенное отноше­ ние длины знакоместа к его ширине увеличивает способность компонента nротивостоять опрокидыванию под воздействием сил поверхностного натяже­ ния расплавленного припоя Проектирование коммутирующих дорожек и межслойиых переходов С повышением величины шага коммутирующих дорожек до 0,008 дюiiм (0,2032 мм) и выше технологичность изделий возрастает. Существует боль­ шое разнообразие рекомендаций для проектирования, но наиболее часто ис­ пользуются следующие: ширина и шаг коммутирующих дорожек принима­ ются равными 0,010 дюйм (0,254 мм), хотя допускается ширина дорожки 0,004 дюйм (О, 1016 мм) . Межслойные переходы в пределах контактной пло­ щадки проектировать не рекомендуется из-за дополнительных затрат на из­ готовление отверстий очень малого диаметра, а также из-за опасности обед­ нения припоем основной площади контактной площадки при пайке . На многрслойных платах коммутирующие дорожки должны проектироваться ·симметрично на обеих сторонах платы во и збежание их коробления при из­ . готовлении Проектирование трассировки Разнообразие компонентов на плате, знакоместа и сквозные отверстия за­ трудняют проектирование трассировки . При выборе типа кopriyca следует учитывать вопросы трассировки. Большую часть трудностей проектирования трассировки можно изб е жать при увеличении количества слоев коммутации платы. Использование межслойиых переходов во многом решает проблемы пересечений Технологичность Точность автоматизированного позиционирования повышается при использо­ вании в проце ссе проектирования координатной сетки со стандартным ша­ гом . Эффективность сборки зависит также от количества компонентов иа плате и соотношения компонентов для поверхностного и обычного монтажа. При смешанном монтаже технология формовки и фиксации выводов компо­ нентов традиционной конструкции оказывает влияние на правила ра з меще­ ния компонентов для поверхностной установки и их технологичность. Ориен­ тация компонентов и расстояния между ними особенно важны при пайке волной. Обеднение припоем контактных площадок усиливается, если оии соединяются перемычками большой ширины. Учет в л ияния паразитных электрических связей Все компоненты в ТПМК. имеют более низкие значения паразитных электри­ ческих характеристик, чем их традиционные аналоги, что обеспечивает, на­ пример, повышение быстродействия цифровых устройств. Увеличение плотно­ сти монтажа еще больше способствует повышению быстродействия устройств. Однако слишком малые расстояния между контактными площадками, как правило, приводят к появлению паразитных связей и усложнению монтажа 1ft8
Проектнроввнне nnaт в ТПМК 109 Продолжение Отвод тепла Повышенная плотность монтажа и применение малогабаритных корпусов мо­ гут привести к локальным перегревам. Появляется необходимость в исполь­ зовании теплоотводов. Переход «плата-корпус» подвергается циклическому воздействию температур, в результате чего возникают усталостные напряже­ ния. Поэтому необходима термическая совместимость материалов компонен­ та и платы. Рассеяние тепла от компонента на плате усиливается благодаря низкой посадке компонента, но это снижает эффективность очистки платы после пайки. Отверстия большого диаметра, иногда проектируемые под круп- ными компонентами, также улучшают отвод тепла · Контролепригодность Для наиболее важных схемных уча.стков (узловых межсоединений) или глу­ хих межслойных переходов должны проектироваться испытательные кон­ тактные площадки. При проектировании испытательной оснастки, с точки зрения затрат, наиболее эффективен шаг между испытательными контактны­ ми площадками, равный 0,1 дюйм (2,54 мм); шаг менее 0,050 дюйм (1,27 мм) использовать не следует. Узловые межсоединения должны быть доступньi для контроля только с верхней стороны платы Испытательный зонд не должен касаться выводов компонентов, так как нет гарантии, что при соприкосновении с зондом вывод ие повредится. Испытательные ·площадки не следует концентрировать в одной зоне: зонди­ рование в одной зоне может привести к изгибу платы. Испытательные пло­ щадки должны размещаться на удалении от высокопрофильиых компонентов Контроль внешнего вида Повышенная плотность монтажа усложняет проверку плат, особенно если безвыводные компоненты заслоняют собой узловые межсоединения. Осмотр мест пайки при этом также затруднен. В случае сложных ИС возможен выбор между вариантами знакомест типа IL и MIL Ремонтоспособность При увеличении плотности монтажа ремонтоспособность снижается. Стано­ вится трудно демонтщювать и заменять компоненты без повреждений, В хо­ де ремонта возможно повреждение других компонентов Объем выпуска Разработчик должен учитывать ограничения и специфику технологического оборудования с точки зрения объемов производства схемотехническую идентичность устройств с поверхностным и традиционным монтажом, их электрические характеристики мо­ гут существенно отличаться после монтажа вследствие различия корпусного исполнения элементной базы. Имеются в виду индук­ тивность, сопротивление и емкость корпусов и выводов навесных компонентов. Данные характеристики определяют качество функ­ ционирования устройств, и при неудачном выборе корпусного исполнения компонентов неизбежно происходит значительное ухудшение выходных характеристик изделий, особенно, как под­ черкивают специалисты промышленности (в частности, инжене­ ры-разработчики фирмы Texas Instruments), в СВЧ-диапазоне. 1
110 rnaвa 4 Различия в электрических характеристиках устройств с обыч­ ным и поверхностным монтажом в значительно большей степени проявятся при использовании в них прежде всего ИС на биполяр­ ных транзисторах. Это связано с тем, что в настоящее время большая часть сверхбыстродействующих систем все еще проекти­ руется на основе ТТЛ- и ЭСЛ-схем, являющихся конструктивны­ ми единицами (ячейками) цифровых устройств. Соответственно в исполнении для ТПМК выпускается гораздо меньше МОП ИС, хотя ожидается, что ситуация со временем изменится. Одним из важных параметров корпуса компонента является собственная индуктивность выводов. Сравнение по этому пара­ метру корпусов DIP с корпусами для ТПМК типа SO и PLCC показывает, что последние обладают существенными преимуще­ ствами. Например, по данным фирмы Texas Instruments, собст­ венная индуктивность 16-выводного корпуса типа DIP колеблется в пределах от 3,5 нГн (в середине корпуса) до 11 нГн (по краям корпуса). Парадоксально, но факт, что шины питания и зазем­ ления обычно размещают вблизи краев корпуса, усугубляя про­ блему снижения собственной индуктивности выводов. Такое пра­ вило слишком распространено при проектировании и от него не­ возможно сразу отказаться. В противоположность корпусу bIP корпуса типа SO и PLCC имеют значительно более низкую ве­ личину собственной индуктивности. Существующее разнообразие конфигураций выводов корпусов позволяет разработчику выбирать нужную конструкцию в соот­ ветствии с конкретными требованиями и усло~иями применения. Так, например, распределение собственной индуктивности выво­ дов 16-выводного корпуса типа SO по характеру сравнимо с рас­ пределением индуктивности у миниатюрного корпуса DIP, но меньше по численному значению. У корпуса PLCC распределе­ ние собственной индуктивности выводов носит равномерный ха­ рактер, поскольку его выводы расположены равномерно по всем четырем сторонам. Не менее важными параметрами, определяю­ щими собственную индуктивность, являются тип и размеры кор­ пуса. Некоторые 14- .и 16-выводные корпуса типа SO имеют в действительности меньшую индуктивность, чем 20-выводной кор­ пус PLCC, вместе с тем 28-выводной корпус PLCC имеет мень­ шее значение собственной индуктивности, чем 24-выводные кор­ пуса типа SO. Это объясняется тем, что выводная рамка корпуса SO изготавливается более массивной и напоминает выводную рамку стандартного корпуса DIP. Как эти факторы проявляются при функционировании уст­ ройств? Во-первых, становится существенным влияние токов утеч­ ки на функциональные параметры устройств (как правило, в ком­ мутационных цепях с повышенной плотностью тока) в зависи­ мости от эффективной индуктивности выводов компонентов. Во-вторых, электромагнитные наводки в этом случае могут зна-
"о Проектнрованне пnат в ТПМК 111 чительно ухудшать выходные параметры изделий, а в худшем случае могут создавать помехи, приводящие к изменению по­ роговых характеристик цифровых устройств. Корпуса типа SO имеют меньшее значение паразитной индуктивности, чем стан­ дартные корпуса DIP. Специалисты фирмы Техаs Instruments с помощью измерений определили, что задержка распростра­ нения сигнала логических схем НЕ-И на биполярных струк­ турах с диодами Шотки в корпусе типа SO на 12-15 % мень­ ше, чем в корпусе DIP и зависит от количества одновременно работающих вентилей. Существуют и другие соображения, например схема защиты входа ИС с диодами Шотки от влияния переходных процессов становится менее эффективной, если появляются значительные наводки. В корпусах типа SO эти схемы функционируют бо­ лее надежно, чем в корпусах типа DIP в идентичных условиях, так как в корпусе типа SO опасность повреждения быстродейст­ вующих ИС существенно уменьшается. Корпуса компонентов для поверхностного монтажа имеют также меньшую межвывод­ ную емкость и взаимоиндуктивность, чем традиционные корпуса типа DIP. Это способствует уменьшению паразитных влияний и приводит к улучшению функциональных параметров изделия. Результаты исследований фирмы Texas lnstruments показали, что корпус типа SO имеет паразитные индуктивность и емкость на 50% меньшие, че~у корпуса типа DIP, а помехозащищенность в два раза выше, чем у корпусов DIP. Кроме· того, помехи, воз­ никающие при работе изделий с традиционными компонентами, могут вызвать ложное срабатывание соседних устройств. Пассивные компоненты для поверхностного монта:Жа также характеризуются пониженной паразитной индуктивностью. Чип­ конденсаторы, например, имеют ·эффективную индуктивность вы­ водов порядка 1-2 нГн, а этот же параметр их традиционных аналогов ближе к 10 нГн. Несомненно, использование чип-ком­ понентов способствует улучшению характеристик цепей развязки и, как оледстsие, повышению помехозащищенности устройства, но с возрастанием быстродействия ИС возможны искажения фронтов импульсов и некоторое снижение помехоустойчивости устройств. На~юнец, проектирование коммутации быстродейству­ ющих схем требует самой тщательной проработки. Между дву­ мя параллельными дорожками одного и того же или разных слоев коммутации платы, если они спроектированы очень близко друг к другу, возникают перекрестные помехи. Перекрестные помехи минимальны, если коммутирующие дорожки двух соседних слоев платы спроектированы под углом 90° относительно друг друга. Уменьшению помех способствует также разделение двух слоеs коммутации шиной питания. . i11
112 rn11в11 4 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПОСАдочноrо МЕСТА КОМПОНЕНТА И ПАЯЕМОСТЬ Искусство проектирования топологии посадочного места ком­ понента (знакоместа) связано с необходимостью обеспечения максимальной плотности упаковки компонентов, что пр_едполага­ ет минимизацию топологии знакоместа. В то же время проекти­ рование должно допускать ОПТJ!Мизацию рисунка коммутации и тем самым упрощать проектирование устройств путем, напри­ мер, уменьшения количества слоев коммутационной платы и чис­ ла используе м ых .межслойных переходов, а также повышать выход годных изделий в проц~ссе изготовления (обе эти задачи диктуют необходимость оптимизации топологических параметро.в: знакомест). Следовательно, в процессе проектирования знако­ мест необхGдимы компромиссы . Проектирование топологии знакомест обычно состоит из трех отдельных этапов: разработки рисунка контактных площадок, разработки рисунка для маскирующего покрытия и рисунка тра­ фарета для нанесения припойной пасты. Для повышения выхода годных в процессе производства расчеты на этих этапах должны быть точными и, кроме того, позиционно скоррелированными друг с другом. Хотя оптимальная топология знакомест в ТПМК является спорным вопросом, существуют, однако, четкие требо­ вания, которым должны удовлетворять приемлемые проекты. Ос­ новное ограничение, налаг а емое на коммутационную (IЛату при поверхностном монт а же компонентов, связано с достижимым уровнем разрешения главных размеров, например шага припой­ ных площадок, шага « припойная площад ка - коммутирующая дорожка» и шага коммутирующих дорожек . При узком шаге припойные площадки могут соединяться между собой перемыч­ ками припоя. С целью минимизации перемычек размер площадок можно уменьшить, но для формирования на дежного соединения необходимо, чтобы припойная площадка выступала из-под кор­ пуса компонента на достаточное расстояние, т. е. смачиваемые припоем поверхности должны иметь д остаточную площа д ь для образования мениска припоя. Если для нанесения припоя ис­ nользуется трафарет, его отверстия должны иметь достаточный запас, чтобы исключить затенение припойны:х площадок, кото ­ рое могло бы привести к последующим непропаям. Следует из­ бегать попадания адгезива, используемого для фиксации ком­ понентов при сборке, на контактные площадки знакомест ком­ понентов, например чип-резисторов и чип - конд енсаторов. Паяемость является ключе·вым аспектом проектирования для обеспечения воспроизводимости технологического процесса. Как будет показано в гл . 10, наибольшее влияние на выход годных плат во время первичных отбраковочных испытаний оказывает частота появления дефектов в процессе пайки и очистки. Сам по
Проектнрованне nnaт в ТПМК себе процесс пайки оплавлением дозированного припоя не порож­ дает дефектов, они могут возникнуть, например, вследствие не­ оптимального проектирования топологии платы и в процессе нанесения припойной пасты через трафарет. Независимо от конкретных вариантов выбора топологических размеров, имеющихся в распоряжении разработчика топологии (они подробно описываются ниже), существует несколько других: факторов, нахqдящихся в зависимости от выбранного метода пай­ ки. В ·этом отношении пайка волной припоя и пайка расплавле­ нием дозированного припоя существенно отличаются друг от друга. · Пайка волной припоя применима только к компонентам, мон­ тируемым на поверхность и устанавливаемым с нижней стороны платы, которые могут выдержать погружение в ванну с припоем. В отличие от пайки волной припоя традиционных плат с компо­ нентами, монтируемыми в отверстия, компоненты, монтируемые на поверхность, в данном случае могут закрыть отдельные участ­ ки поверхности платы и затруднить доступ ~ ним припоя. Этот эффект затенения, усугубляемый ограниченным поверхностнЫ1м натяжением припоя, приводит к тому, что припой не попадает на контактные площадки и образуются непропаи. В большей сте­ пени этот эффект проявляется при наличии компонентов в вы­ соких корпусах. Появление пайки двойной волной припоя по­ могло уменьшить вJJ:ияние эффекта затенения, однако он все еще остается нерешенным вопросом для многих изготовителей аппа­ ратуры. Увеличение топологических размеров знакомест компо­ нентов, например в направлении движения коммутационной пла­ ты через ванну с припоем, также способствует уменьшению за­ тенения, поскольку при этом возрастает вероятность контакти­ рования металлизированных участков платы и припоя. Ориентация компонентов не менее важна для эффективной пайки волной припоя некоторых кл·ассов приборов. Лучшие ре­ зультаты наблюдаются в том случае, когда продольная ось кор­ пуса параллельна направлению движения платы при пайке. Та­ кая ориентация способствует уменьшению образования перемы­ чек из припоя. Этому также способствует, как показала практика,. создание дополнительной, ~~и_cI1qль_~~MO.Й .. . ll?...PJ.!! . .J:I.Л_Q_~JJ:.OK на конце посадочного места корпуса компонента в направлении дви­ жения платьr. Эти площадки действуют как «Ловушки припоя»" препятствующие его накапливанию на концевых площадках по­ садочного места компонента. Простые корпуса типа SOT или пря­ моугольные могут быть ориентированы параллельно или перпен­ дикулярно потоку волны, хотя ранее рекомендовалось распола­ гать простые чип-компоненты перпендикулярно волне припоя. ~айка _o_I,!!12.J?_л~.l!li~~- .~о:иров~~':1_?~0..2!Р!!!!.9l! требует доп~лни­ тельньiх мер для получения качественных паяных соединении при повышенной плоти.ости монтажа, например точного позициони- 8-1533 1, 1.
114 Длина nлощадок недоnустимо велика rna•• " Ширина площадок недоnустимо велика а 6 110,025(0,050) Идеальный формат Припой после оплавления ,,,_~...,.......,...,..,.,.,. /контактная rJ25Y>Y·J1?z75'Y>>~1171кa б рования участков припайной пасты на металлизированных пло­ щадках. Как правило, выбираемая топология знакоместа долж­ на .быть идентична топологии припойных площадок. Однако надо учитывать ~д?.~!.. ~~~-~ь~~!:I-~~- -~o,~~O-~-~_I_I_т_~_.r:!,9. ~Sl13~!3_л~.1:HQ!Y1Y пр~рою. Этот Эффект является результатом деиствия сил поверх- ностного натяжения в жидкости, которые стремятся затянуть вывод компонента в центр припо.йной площадки, что обычно приводит к необходимости повышения точности позиционирова­ ния компонента (рис. 4.1). По этой же причине важно, чтобы припайные площадки были одинаковы по форме и размерам, особенно для чип-компонентов. В противном случае неравенство сил поверхностного натяжения 1
Проектнрованке пnвт в ТПМК Опасность смещения компонента ------.~....-------. /Оптимальный вариант г \ПреАуnрежАение: не АОПускать ~- 3атекания припоя 1"'-~'"""'"' ~>zvl15~7m 115 Рис. 4.1 . Погрешности форматирования элементов знакомест для проектирова­ ния с учетом пайки оплавлением дозированного припоя: а - конфигурация контактных площадок; б - вариант монтажа двух чипов с общей контактной площадкой; в - наилучший вариант монтажа двух чипов с общей контактной площадкой; г - вариант параллельного монтажа чип-компонентов; д - трас­ сировка коммутирующих дорожек под компонентом (проектирование несколь­ ких узких дорожек под компоиеитом целесообразнее, чем проектирование од- ной широкой (с разрешения Nu-Grafix C:orp.) . Примечания. 1. Размеры без скобок соответствуют мииимальиому значению, в скобках - оптимальному. 2. Размеры даиы в дюймах; 1 дюйм= 25,4 мм. на каждой припайной площадке будет способствовать смещению компонента с установленной позиции, что может привести к подъ­ ему компонента, т. е. к такому положению, когда компонент ста­ новится свободно с11оящим (перевернутым на торец). Если длина припойных площадок значительно превышает их ширину, то ком­ понент может сдвинуться и занять только одну из них, что при­ водит к образованию разомкнутой электрической цепи. В случае когда площадки слишком широки, компонент может легко поте­ рять требуемую ориентацию. Существуют также специфические пробл1емы, которые могут возникать, когда припайные площадки под чип-компонент соединяются одна с другой. Если большая 8*
t16 Гnавв 4 ·припайная площадка спроектирован~ в виде одного топологиче­ -ск~го элемента, то во время пайки· оплавлением дозированного припоя каждый компонент будет притягиваться к центру этой площадки вследствие большей величины сил поверхностного на­ тяжения припоя, поскольку чем больше площадка, тем больше припоя .она аккумулирует. Целесообразнее вместо одной боль­ !IIОЙ припайной площадки проектировать две площадки меньше­ го размера, соединенных узкой коммутирующей дорожкой; это ограничивает количество аккумулируемого припоя и исключает появление аномальных эффектов. Повышен.не величины комму­ тируемых токов становится возможным преи~мущественно за счет _увеличения числа дорожек, а не за счет увеличения их ширины. Нежелатедьный эффект скольжения · может проявиться также тогда, когда · два параллельных чип-компонента расположены очень близко друг к другу. В процессе пайки скользящий ком­ понент может фактически вступить в контакт с припайными пло­ щадками: под корпусом соседнего ко_мпонента. Зазор не менее 0,025 дюйма (О,635 м~м), а еще лучше 0,050 дюйма (1,27 мм), уменьшает вероятность этого скольжения. Существует также опасность снижения качества монтажа, €СЛИ для чип-компонента проектируется широкая коммутирую­ щая дорожка. Здесь также вероятны аккумулирование припоя под компонентом и смещение компонента. Если · разводка комму­ тации под компонентом все же необходима, одну широкую до­ рожку следует разделять на несколько параллельных меньшей ширины. Хороший практический результат дает соединение между со­ бой зон больших припайных площадок с п9мощью узких Или за­ уженных коммутирующих дорожек. Это относится к припайным площадкам, соединенным со сквозными межслойными перехода­ ми, которые в противном случае могут быть обеднены припоем. ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВЫБОРА РАЗМЕРОВ ТОПОЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В гл . 2 были проиллюстрированы (с разрешения фирмы Sig- netics Corp.) несколько примеров спроектированной топологии знакомест компонентов. Эти примеры не являются единственно возможными вариантами топологии, и в настоящее время не­ сколько комnаний продолжают .экспериментальные работы с целью оптИ1мизации выбора топологических элементов в зависи­ мости от конкретных услщшй применения изделия. В случае ис­ ·пользования корпуса типа SO указанное, например, фирмой Sig- netics значение длины припайной площадки составляет 0,060 дюй­ м а (1 ,53 мм), хотя другие разработчики выбирают тот же самый -размер в пределах 0,050-0,070 дюйма (1,27-1,78 мм). Анало­ ·гичным образом ширина припайной площадки под корпус SO
Проектнрованне nnaт в ТПМК 117 з-адается равной 0,024 дюйма (О,61 мм). У других разработчИков эта величина варьируется от 0,020 дюйма (0,508 мм) до 0,035 дюй­ ма (0,889 мм). Однако этот выбор непроизволен. С практической точки зрения весьма удобными были бы, например, стандартные размеры припайной площадки О,025ХО,050 дюйма (О,635Х Х 1,27 мм), если учитьrвать традиционные для разработчиков координатные сетки с шагом 0,025 дюйма (О,635 мм) и 0,050 дюй­ ма (1,27 мм). Это бы в свою очередь означало, что получившие широкое распространение зна'Чения ширины коммутационных до­ рожек 0,012 дюйма (0,3048 мм) и шага между ними 0,013 дюйма (О,3302 мм) вполне реализуемы с той же самой координатной сеткой. Однако это относительно нежесткое правило проектиро­ вания не позволяет прокладывать дорожки шириной 0,012 дюйма (0,305 мм) между припайными площадками под компоненты, вы- воды которых расположены с шагом 0,050 дюйма (1,27 мм) и имеют ширину 0,025 дюйма (0,635 мм). Для обеспечения трасси­ ровки проводников между площадками ширина дорожки должна быть снижена до 0,008 дюйма (О,203 мм), что является пробле­ матичным для разработчиков и изготовителей плат, поскольку реализация более тонкой дорожки удорожает изделие. Это в свою очередь может снизить технологичность микросборки, если учи­ тывать также и то, что процесс защиты платы от затекания при­ поя (например, маскирование припоя) является обычно пр'еци­ зионным с целью исключения коротких замыканий между ком­ мутирующими дорожками. Альтернативным вариантом топологии знакоместа было принятие размеров контактной площадки О,050ХО,020 дюйма (1,270ХО,508 мм). В этом случае между при­ пайными площадками существует промежуток 0,030 дюйма (0,762 мм), который позволнет разместить между ними комму­ тирующую дорожку шириной 0,010 дюйма (0,254 мм) с соответ­ ствующими зазорами. Следовательно, это проектное решение способствует технологичности. Дорожки шириной 0,010 дюйма {О,254 м1м) удобно использовать при проектировании трассиров­ ки коммутация всей платы, поскольку при этом не требуется из­ менять ширину дорожек. Однако важно представлять, что не­ ограниченное сужение топологических элементов приведет к.об­ разованuю неприемлемого мениска припоя на контактной пло­ щадке. Кроме того, на площадке с очень удлиненным форматом имеет !Место описанное ранее скольжение компонента. Еще одним соображением, которое становится важным при производстве высоконадежных устройств в ТПМК, является влияние размеров припайных площадок зн.акомест на поведение паяного соединения во время термоциклирования. Слишком большое количество припоя приводит к увеличению жесткости I', места соединения «вывод компонента - припайная площадка», которое становится хрупким при тепловой нагрузке. Для безвы­ водных кристаллоносителей, по сообщению специалистов фирмы
118 ll Q---o --- ~~м rnaн 4 Рис. 4.2 . Рекомендуемое универсальное зна­ коместо под пассивный компонент (с разре­ шения Nu-Grafix Corp.) . Примечание. Размеры даны в дюймах, ECR, при увеличении протяженности: части припайной площадки, высту­ пающей за проекцию кор:пуса ком­ понента, на 0,020 дюйма (О,508 мм) [например, размер высту,пающей ча­ сти изменился с 0,020 дюйма (О,508 мм) до 0,040 дюйма (1,016) ],, повышается сопротивление паяного соединения после термоциклирова­ ния. Однако дальнейшее удлинение площадки уже не оказывает влия­ ния на соцротивление. Рассмотренные в гл. 2 варианты топологии знакомест для чип-конденсаторов типоразмера СО805 для пайки волной припоя и оплавлением дозированного припоя показывают, что, как об­ суждалось выше, в первом случае припойные площадки проекти­ руются выступающими за проекцию корпуса на величину 0,008 дюйма (0,203 мм) больше, чем для второго случая, чтобы обеспечить надежное смачивание вывода и площадки припоем. Требование увеличить выступающую зону контактной площадки приемлемо для большинства изделий, , поскольку она охватывает примерно 6% общей длины посадочного места компонента. При проектировании топологии знакоместа, как ранее 0Т1Ые­ чалось, для случая пайки пассивного компонента волной припоя более эффективно предусматривать нерабочую проводящую до­ рожку (площадку) под корпусом компонента. Такая дорожка используется в качестве элемента для ориентации в процессе нанесения адгезива при фиксации корпуса компонента. Часто это диктуется потребностью в повышении воспроизводимости точ­ ности позиционирования компонентов от сборки к сборке . Так, при отсутствии нерабочей дорожки, разброс по высоте компонен­ та над платой, дополняемый отклонением по толщине слоя ме­ таллизации (которое может составить 35-135 ~м.км), нередко приводит к уменьшению зоны контактирования компонента с пла· той и неэффективности его фиксации адгезивом. В попытке повысить технологичность изделий некоторые фир­ мы, например Philips на своих предприятиях в США, в настоя· щее время экспериментируют при проектировании топологии с закругленными припайными площадками, которые, по их мне­ нию, успешно решат проблемы, связанные с образованием пере·
,Проектнроаанне пnат в ТПМК 119 ~м:ычек припоя. Имеются и другие разработки, направленные на стандартизацию топологии знакомест, которая бы не отражалась на качестве паяных соединений. Одним из таких примеров явля­ ется топологический вариант, заимствованный из практики фир­ мы Nu-Grafix Corp. в США, который показан на рис. 4.2. Топо­ логия посадочного места для пассивного компонента в данном случае пригодна как для методов пайки волной припоя, так и для пайки оплавлением дозированного припоя. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПОСАДОЧНЫХ МЕСТ ДЛЯ СЛОЖНЫХ КОРПУСОВ Для сложных корпусов разработано несколько вариантов . проектирования посадочных мест. В случае использования кера­ мического кристаллоносителя с выводами (LDCC) и пластмас· сового безвыводного кристаллоносителя (PLCC) существует два варианта проектирования: так называемые IL-топология и МIL­ топология. Выбор варианта опр1еделяется ,~омпромиссом между плотностью монтажа компонентов и требованиями ремонтопри­ годности изделия (рис. 4.3). Эти варианты различаются, в основ­ ном, числом контактных площадок, выходящих за проекцию кор­ пуса навесного компонента. Размер шага контактных площадок для обоих вариантов составляет 0,050 дюйма ( 1,27 мм), а рас- 1±1 ~~@J EJEJЕ]Е] l±JIO [±][±1 ~ +c::::±J ЕО rn Е:=1 с::::±! [f) EEJ 1±1 [±1 rrmil В'Ш l±J&1gGl . ~ ·~· EEJ а ш [±] [±] Ш]Ш)П [±] l±J EEJ l±J 1±1 Е::]• + wg [±] l±J EEJ ш [±] ~wg [±] l±J l±J [±] ,~ag= [±] ш [±] 6 Рис. 4.3 . Проектирование знакоместа под сложный корпус: а - вариант MIL; б - вариант IL (с разрешения Floating Point Systems Inc.). . ' i, 1: 1 1
120 rnaвa 4 стояние от контактной площадки до ближайшего переходного отверстия равно 0,1 дюйма (2,54 мм) .. В варианте IL половина контактных площадок расположена под корпусом и соединена с контактной площадкой межслойного пер·еходного отверстия L-образной дорожкой. Остальные кон­ тактные площадки ·выходят за пределы проекции корпуса ком­ понента в виде !-образных ответвлений. В варианте MIL все площадки знакоместа соединяются с контактным 1и площадками переходных отверстий преимущественно за пределами проекции корпуса. Это достигается использованием с,очетаний 1- и L-об­ разных удлиненных коммутирующих дорожек, хотя для одной !-образной дорожки требуется дополнительное место порядка 0,025 дюйма (0,635 мм). Кроме того, для облегчения испытаний устройства на площади внакоместа под корпусом проектируется удлиненная на 0,025 дюйма (О,635 мм) дорожка с межслойным переходом на тестовую площадку с обратной стороны платы. Поскольку в варианте MIL снижается эффективность исполь­ зования площади платы, его рекомендуется при~менять в наибо­ лее ответственных случаях. Например, при разработке трассиров­ ки схем управляющей логики на платах цифровых устройств, тр·ебующИх повышенного объема испытаний, а также при нали­ чии в составе устройств чувствительных аналоговых компонен­ тов, которые часто нуждаются в замене. Таким образом, проек­ тирование знакомест с большей площадью (типа MIL) рекомен­ дуется использовать достаточно обоснованно. Для корпуса PLCC знакоместо должно проектироваться с минимальным количеством элементов коммутации под корпусом. поскольку в противном случае из-за низкой посадки корпуса мо­ гут возникнуть перемычки припоя между элементами, что весьма трудно обнаружить своевременно. ПРОЕКТИРОВАНИЕ КОММУТИРУЮЩИХ ДОРОЖЕК И МЕЖСЛОАНЫХ ПЕРЕХОДОВ Как и для проектирования знакомест, существует несколько вариантов проектирования коммутации. На практике, как от- 1Мечалось ранее, широкое распространение для сигнальных про­ водников получили коммутирующие дорожки шириной 0,012 дюй­ ма (О,3048 мм) с шагом 0,013 дюйма (0,3302 мм). В этом случае шины питания выбираются шириной 0,015 ... 0,030 дюйма (0,381- 0,762 мм). Большинство изготовителей ком~мутационных плат располагают производственными мощностями для выпуска таких плат с относительно небольшими затратами. В принципе можно проектировать элементы коммутации с меньшими раз1мерами. Но это приведет к дополнительным расходам (и снижению надеж- · ности устройств), причем особенно ощутимым при уменьшении размеров коммутации ~менее чем до 0,008 дюйма (0,2032 мм).
Проектнро11анне пnат в ТПМК 121 В США фирмой IPC проведена оценка возможностей современ­ ных производств и сделан вывод, что пределом при проектиро­ вании элементов коммутационных плат с достаточно высоким уровнем надежности изделий являются следующие размеры ком­ ~м:утирующих элементов: ширина дорожек 0,004 дюйма (О, 1016 мм), шаг дорожек 0,008 дюйма (0,2032 мм). В сущности две такие дорожки можно спроектировать между двумя контактными пло­ щадками компонента с использованием стандартной координат­ ной сетки. Но для реализации тaiюfi разработки потребуется весьма высокий уровень технологии. Большинство изготовителей изделий в ТПМК должны выбирать ширину коммутирующих до­ рожек и шаг между ними порядка 0,008 дюйма (О,2032 мм) и в .случае необходимости применять платы с повышенным количе- ством слоев. В табл. 4.2 показано, что минимальным значением диамет­ ра отверстий для межслойной коммутации в аддитивной техно­ логии считается величина 0,025 дюйма (О,635 1мм) [О,020 дюйма (0,508 мм) по специальному зака,зу]. Специалисты фирмы ТI считают, что в стандартной технологии поверхностного монтажа должны изготавливаться отверстия диаметром 0,020 дюйма (0,508 мм) (рис. 4.4). Перечислим правила проектирования ТПМК, рекомендуемые фир~мой П: 1. Геометрические размеры: • Ширина коммутирующей дорожки/шаг: 0,008/0,008 дюйма (О,2032/0,2032 мм). • Размер припойной площадки под вывод ИС: (0,025+0,005 дюй- ма) Х (0,070±0,010 дюйма) [ (0,635±0,127 мм) Х (1,778± +0,254 IММ)]. .· • Размер отверстия (диаметр): 0,020 дюйма (О,5080 мм). • Размер контактной площади межслойного перехода (диаметр): 0,040 дюйма (1,0160 мм). • Точность проектирования размеров контактной площадки под чип-конденсатор/резистор: W - максимальный раз1мер компо­ нента; L1 мин=О,020 дюйма (0,5080 мм) (за пределами проек­ ции компонента); L2 макс=О,010 дюйма (0,2540 мм) (в преде­ лах проекции контакта компонента). 2. Для обеспечения надежности паяных соединений все кон­ тактные площадки межслойных переходов следует отделять от контактных площадок под компоненты с помощью проводящих дорожек ~минимальной длины 0,010 дюйма (О,2540 мм) и макси­ мальной ширины 0,010 дюйма (О,2540 мм) для площадок меж­ сл.ойных переходов с внутренним диаметром 0,020 дюйма (0,5080 мм) и наружным 0,040 дюйма (1,016 м1м). Это предохра­ няет площадки от обеднения припоем из-за концентрирования его около отверстия.
Таблица 4.2 . Рекомендуемые правила проектирования изделий в ТПМК (для плат, изготов.>Jенных по аддитивной технологии)*> Проектируемые элементы Ширина/шаг коммути- рующих дорожек Диаметр отверстий меж­ слойных переходов Размер площадки меж­ слойного перехода (диаметр) Размер площадки для вывода ИС Ширина площадки для конденсатора/ре з истора Длина площадки для конденсатора/резистора Длина проводящего уча­ стка от края контактной площадки до компонента Типовой вариант для трафарет· 1для фотопечати, иоА печати, дюймы (мм) дюймы (мм) 0,0150/0,15 (О,381/3,81) 0,030(0,762) 0,050(1,27) 0,008/0,008 (0,2032/0,2032) 0,025(0,635) 0,040(1,016) По специальному заказу, дюймы (мм) 0,005/0,005 (О, 127/О,127) 0,020(0,508) 0,030(0,762) Рекомендуется ·(О,025±0, 005) Х (0,070±0,001) ((0,635±0, 127)Х (1,778±0,0254)) - 0,030(0,762)••) 0,020(0,508)••) 0,015-0,030 (0,381-0, 762) 0,045( 1, 143) 0,010-0,020 (о , 254-.о, 508) 0,030(0,762) 0,010 (0,254)••) 0,005-0,010 (О, 127-0,254) 0,020(0,508) Расстояние от проводни- 0,015(0,381) ка до контактной пло- 0,010(0,254) 0,007(0, 1778) щадки Расстояние между ком- Рекомендуется делать равным высоте большего понентамн компонента Величина зазора между краем контактной пло­ щадки и окном припай­ ной маскн Шаг контактных пло­ щадок прн использова­ нии маскирования Шаг контактных пло­ щадок без использования маскирования Расстояние от осевой линии проводника до края платы Расстояние от контакт­ ной площадки до метал­ ли з ированного направ­ ляющего отверстия Расстояние от контакт­ ной площадки до неме­ таллнзированного на­ правляющего отверстия 0,015 (0,381) 0,030 (О, 762) 0,025(0,635) 0,010 (О,254) 0,020 (0,508) 0,020(0,508) 0,030(0,762) +половина шири­ ны проводника ±0,010 (±0,254) ±0,012 (±0,3048) . ±0,007 (±0, 178) ±0,007 (±0, 178) 0,005 (О, 127) 0,010 (О,254) 0,020(0,508) 0,020(0,508) + по­ ловина ширины проводника ±0,005 (О, 127) ±0,003 (±0,076).
Проектнроаанне nnaт в ТПМК Типовой вариант Проектируемые элеi"еиты для трафарет· 1для Фотопечати, иой печати, дюймы (мм) дюймы (мм) Расстояния от контакт- ±0,007 ±0,005 ных площадок до фигур (±0, 178) (±0, 127) совмещении Разброс значений тол- ±0,0001 ±0,0001 щины контактных пло- (±0,0025) (±0,0025) щадок из медИ Разброс значений тол- ±0,001 ±0,001 щины контактных пло- (±0,0254) (±0,0254) щадок ИЗ припайного материала 123 Продолжение По специальному заказу, дюймы (мм) ±0,003 (±0,076) ±0,0001(±0,0025) ±0,00025 (±0,00635) •) С разрешения фирмы Kollmorgen Corp. ••) По-видимому, в даН'иом случае авторы приводят максима.льно допустимые значе­ ния. - Прим. перев. 3. При ·нанесении припайной пасты минимальное расстояние между контактными площадками должно составлять 0,020 дюй­ ма (0,5080 мм). Фир1Ма IPC рекомендует использовать отверстия, полученные сверлением, диаметром 0,015 дюйма (О,381 мм), в то время как другие фирмы предлагают нижний предел диаметра отверстия Q,013 дюйма (О,3302 мм). Для определения минимального раз1мера контактной площад­ ки с межслойным переходом в .коммутационной плате Даной У. Корф предложена формула: D=d+21+2а+Лш, где D- диаметр к9нтактной площадки с межслойным перехо­ дом; d- диаметр переходного отверстия; у- допуск на разме­ ры КП; а - допустИ1мое расстояние от края отверстия до края его площадки; Лш- допуск на изготовление эталонного шаблона. При этом для больших плат предлагаются следующие значения данных параметров: у=О,003+0,006 дюйма (0,0762+0,1524 мм); а=О,001 дюйма (0,0254 мм); Лш=О,002 дюйма (О,0508 мм). В этом случае при диаметре отверстия 0,015 дюйма (0,381 мм) его контактная площадка будет иметь диаметр 0,025 дюйма (О,635 мм). Д. Корф указывает, что при отверстии 0,020 дюйма (О,508 мм) диаметр контактной площадки должен составлять Q,036 дюйма (О,9144 МIМ). Специалисты фирмы Texas Iпstruments рекомендуют диаметр контактной площадки с таким отверстием проектировать равным 0,040 дюйма (1,016 мм). Переходное от­ верстие может быть круглым или квадратным. Квадратная пло­ щадка может И1меть меньшие размеры, чем круглая, например lll 1'
124 0,01 О (мин.) о,о 2о IO~~f ___ , t; О,040 / \ ~0~5:~·~~ / 0,01 О (макс.) Окно в nриnойной маске ... rnвu " о,01охо,010 L2 (0,010) 0,000 --п-- 1 0,010 11 _J _0,000 ·! шт L1(8;8~~)_j l- а ·5 Р:11с. 4.4 . Конфигурация контактных площадок под вывод ИС (а) и под пас­ сивный компонент (6). Примечание. Размеры указаны в дюймах . О,ОЗОХО,030 дюйма (О,762ХО,762 мм), поскольку за счет у~ло­ вых участков металлизации отверстия увеличивается эффектив­ ная площадь получаемого контакта. При проектировании кон­ тактных площадок с переходными отверстиями специалисты ре" комендуют предусматривать зауженный участок (примерно в центральной части площадки) длиной не менее 0,010 дюйма (О,254 м1м) для предотвращения обеднения припоем места кон­ тактирования за счет стягивания припоя в.округ отверстия в про­ цессе пайки. Некоторые специалисты предлагают для этой цели выбирать отверстия размером 0,050 дюйма ( 1,27 мм), а ширину зауженной части не более 0,010 дюйма (О,254 мм). Иногда такое решение оказывается не осуществимым из-за недостатка места на плате. В этом случае зауженной части не проектируют, а раз­ мер контактной площадки увеличивают для удобства позицио­ нирования компонента либо из соображений получения качест­ венной пайки. И хо·тя в принципе отверстия размером 0,010 дюйма (О,254 мм) реализуемы, потребуются существенные дополни­ тельные затраты. В любом случае при монтаже потребуется за­ щита отверстий от наплывов припоя специальным покрытием (припойной маской), а само отверстие должно иметь отрицатель­ ный допуск на изготовление, чтобы отверстие маски было как можно меньшим. ТРАССИРОВКА НА ПЛАТАХ Проектирование межсоединений (трассировка) - ключевой вопрос разработки топологии устройств. Его особенности опре­ деляются в .,,есновном двумя факторами: выбором конструкции корпусов компонентов и размерами знакомест. При использова­ нии традиционных плат трассировка будет затруднена из-за сквозных отверстий, хотя глухие и скрытые (внутренние) меж­ слойные переходы в значительной мере упрощают проектиро­ вание.
Проектнроваине nnвт в ТПМК 12~ Таблица 4.3 . Сравнение площадей, занимаемых на плате различными конструкциями корпусов*J К:оличеС1'во выводов Площадь, занимаемая на плате, дюl!м 2 (см 2) К:оэффициеит. приведения к эис 8 14 16 20 24 28 40 44 64 68 DIP 0,20(1,29) 0,36(2,32) 0,36(2,32) 0,44(2,838) 0,56(3,612) 1, 12(7 ,229) 1,54(9,933) 3,30(21,28) so 0,088(0,568) 0, 140(0,903) 0,158(1,019) 0,289( 1, 864) 0,341(2, 199) 0,394(2 ,541) *) С разрешения фирмы Floating Point Systems !пс. PLCC DIP \ SO 1PLCG 0,56 0,24 1,00 О,39 1,00 0,44 0,203(1,309) 1,22 О,80 0,56: 0,250(1,612) 1,56 О,85 0,69' 0,303(1,954) 3,11 1,10 0,84 4,28 0,563(3,631) 1,56· 9, 17 1,10(7,095) 3,06· Выбор конструкции (корпусов) компонентов обычно чем-то· обосновывается. Например, сложностью приобретения КОIМ_ПОнен­ та требуемой конструкции, электрической совместимостью его с· платой (минимальные паразитные влияния) или совместимостью· с платой по термическим характеристикам. Если существуют ва­ рианты для проектирования, разработчик обязан их рассмотреть.. При выборе варианта с максимальной плотностью монтажа целесообразно просчитать площади, занимаемые на плате раз- 1 личными видами корпусов. Один из способов расчета предложен Д. Корф и заключается в использовании коэффициента приве­ дения к эквивалентной ИС (ЭИС), который определяется по, формуле: K=6/SDIPJ6, где S - площадь, требуемая для выбранной конструкции карпу-· са компонента, SD1P16- площадь, занимаемая одним стандартным: 16-выводным DIР-корпусо1м на плате, который и принимается за ЭИС. Таким образом, коэффициент приведения к ЭИС позво­ ляет сравнивать непосредственно поверхностный и традиционный монтаж, что оказывается особенно важным при переводе изго­ тавливаемого по традиционной технологии изделия на поверх­ ностный монтаж. В табл. 4.3 приведены данные о площадях, за­ нимаемых различными видами корпусов с указанием коэффици­ ента приведения К. В ТПМК корпуса типа SO занимают меньшую· площадь, чем корпуса PLCC и LDCC с тем же количеством вы­ водов (при числе выводов 20 и менее). Если количество выводоВ< превышает 20, то площадь, занимаемая корпусами SO, становит- 1111 1 1 li! 1' 11 1'
t26 rnan 4 Таблица 4.4 . Проектирование коммутирующих проводников в зависимости от размеров контактных площадок*> К:олнчество дорожек между площадка м и Ширина площадки, дюймы (мм) м ежц е итровое расстояние Ширина коммутирую- контактных п.лощадок щнх дорожек/расс т оя- нне между ннмн, "' "' "' -~ g. дюйм (мм) :в :в :в -=- -=- -=~ ~ ... " о:в о:в о:в ~ 5~ ~"!:В ~l:(:В "!:В :вz" ~C>t- ~8~ o;g;;i; ~ "' о i::\g"". "'"' u r::- . Qci~ ~;.;1;' Е--<о:::. Е--6~ 0,008/0,012 3 2 0,050 0,062 (О,2032/О ,3048) (1,27) (1,574) 0,008/0 ,0087 4 2 0,042 0,055 (О,2032/0,221) ( 1,067) (1,397) 0,006/0,0065 4 3 0,032 0,060 (О, 1524/0, 1651) (0,8128) ( 1,524) 0,005/0,005 2 5 4 0,045 0,060 (О, 127 /О , 127) (1, 143) (1,524) 0,004/0,0043 2 6 5 0,035 0,055 (О, 1016/О, 1092) (О , 889) ( 1, 397) '> С р а зрешении фир м ы Floatlng Polnt Systems Inc. -ся больше. Это нужно учитывать при проектнровании, поскольку в настоящее время многие компоненты выпускаются в различных .исполнениях, и это особенно важно при разработке заказных и полузаказных ИС для ТПМК. Для крупноформатных плат кри­ · Сталлоносители обеспечивают большую плотность монтажа , чем корпуса типа DIP или SO. Д. Корф отмечает, что плата с высо­ коплотным монтажом ~может вместить 780 кристаллоносителей, 418 кюрпусов типа DIP и 630 типа SO. Для еще большего уплот­ нения монтажа можно рекомендовать ~пециальные конструкции · навесных компонентов, например кристаллодержатели на гибких лентах-носителях или бескорпусные кристаллы, устанавливаемые непосредственно на плату, которые были рассмотрены в гл. 2. Трассировка сигнальных цепей определяется размером кон­ тактных площадок, как видно из табл . 4.4 . При уменьшении шага · и расстояния между проводящими дорожками существенно уве­ личиваются возможности трассировки, что наиболее заметно в ·случае межцентровых расстояний 0,100 дюйма (2,54 мм). В по­ . следнем случае между контактными площадками при поверхност- ном монтаже можно фор~мировать до 6 дорожек, но для этого потребуется проектировать контактные площадки с минимальной .шириной. Плотность 'Грассировки будет ощутимо снижаться, если
г Проектирование nnaт в ТПМК 127 на плате дополнительно проектируются отверстия для установки компонентов. Чтобы сохранить формат платы, рекомендуется увеличивать количество слоев коммутации. ТЕПЛООТВОД Техника поверхностного монтажа неразрывно связана с ре­ шением вопросов от,вода тепла для большинства устройств по причине уменьшенного расстояния между компонентами на пла­ те и проводниками в сравнении с традиционным монтажом. Кро­ ме того, в этом отношении существенное значение имеет умень­ шение размеров корпусов компонентов, что приводит к снижению эффективной площади отвода тепла как на Плату, так и в окру­ жающую среду. Корпуса типа SO имеют меньший теплоотвод в сравнении с PLCC и LDCC, так как последние устанавливаются непосред­ ственно на плату, что улучшает их теплоотвод за счет теплопро­ водности при тепломассообмене. В то же время безвыводные ке­ рамические кристаллоносители рассеивают больше тепла за счет контакта с платой, чем пластмассовые, поскольку теплоотдача у пласТ1Массы хуже, чем у керамики. Если проблема теплоотвода имеет для устройства особое зна­ чение, то выбор типа корпуса компонента должен осуществлять­ ся с учетом выбора материала платы. Конструкцию теплоотводя­ щих элементов следует, по воз~можности, упрощать, например, используя металлизированную площадку под корпусом компо­ нента и (или) осущест,вляя крепление компонента с помощью проводящих клеев на основе эпоксидных смол. Эффективно так­ :же заполнение переходных отверстий материалом с высокой теп­ лопроводностью. Кроме того, иногда эффективны (например,. для теплоотвода методом излучения) большие металлизирован­ ные площадки. Однако такие теплоотводящие площадки, соеди­ ненные с контактНЫIМИ площадками, могут отбирать тепло при пайке, что нежелательно. Поэтому рекомендуется их проектиро­ вать не связанными между собой, а соединять после пайки. ПРОЕКТИРОВАНИЕ С УЧЕТОМ ТЕСТ-КОНТРОЛЯ Большинст,во проблем, связанных с тест-контролем в процес­ се изготовления изделия и на более поздних стадиях его жизнен­ ного цикла, становятся решаемыми, если им уделяется достаточ­ ное внимание на этапе проектирования устройств. Техника поверхностного монтажа требует прецизионных тех­ нологических процессов, поскольку, во-первых, она немыслима без высокой точности в реализации, а во-вторых, потому, что-· ремонт изделий в ТПМК на порядок сложнее и дороже, чем В· случае традиционной технологии. Это предполагает высочайшее качество сборки, распознавание видов и причин появления де-
128 Гnеве 4 «фектов на различных технологических переходах для оператив­ ного исправления брака. Анализ дефектов обычно включает ста- ~ -тистическуIQ обработку результатов контроля параметров каче- 1 <:тва, выдаваемых функциональными испытательными системами. (; .Даже если выход годных плат по результатам предварительных ~ испытаний составляет 90% и более, все равно необходимо пре- :;., . . дусмотреть возможность внутрисхемного контроля для обеспече- § i ния эксплуатационной надежности этих изделий. Исходя из эко- ) номических соображений , предварительные испытания должны ~ ' быть функциональными, а последующие, внутрисхемные испыта- ·~~1 ния должны проводиться выборочно и включать анализ дефек<i\;J,! тов на бракованных платах. Неомотря на то что внутрисхемный '1~ контроль, судя по прогнозам, 'будет играть второстепенную роль~ j ·"ОН все еще продолжает оставаться неотъемлемой частью техно~ ··~:.~· ." . логического процесса, поскольку именно такой контроль позво- ляет осуществлять обратную связь «изделие- технологический процесс», что особенно важно на стадии внедрения ТПМК, когда технологический процесс еще не оптимизирован. Качество топологии, предусматривающей внутрисхемный кон­ троль, не следует оценивать по соответствию тестовых (испыта­ тельных) площадок числу схемных узлов устройства. В .сложных системах это снижает плотность монтажа, которая достигается методами ТПМК, а также увеличивает затраты на испытатель­ ную оснастку и программное обеспечение процесса контроля. Вы­ .бранные тест-площадки должны обеспечивать контроль достаточ- ного набора электрофизических пара1метров для оценки функ- циональной способности устройст.ва с применением минимально­ го количества площадок. Удачный выбор испытательных площадок, не ,снижающих плотности монтажа на плате за счет · использования удлиненных контакт,ных площадок и коротких межслойных переходов, позволяет уменьшить до 40% затраты на испытания, как следует из сообщений некоторых разработчиков. Пра'Вила проектир.ования для внутрисхемного контроля по­ дробно описаны в гл. 9. Основные рекомендации по проектированию тест-контроля можно представить следующим образом: ·• Зонд овый контакт контрольного (испытательного) приспособ­ ления должен · осуществляться только с тестовыми площадка­ ми либо площадка~ми межслойных переходов, а не с выводами компонентов (рис . 4.5). ·• Нельзя осуществлять контроль с двух сторон платы. В случае необ х одимости вывода испытательной точки на требуемую по­ верхность платы следует использовать межслойные переходы. ·• Площадь по периферии платы должна быть свободной. Для надежного прижима испытательной оснастки к плате доста­ точна свободная полоса шириной 0,125 дюйма (3,175 мм).
а Проектнрованне nnaт в ТПМК Испытательная площадка с припоем / 0,10 д б 6 121J г е Рис. 4.5 . Проектирование тест-площадок для дискретных компонентов (вверху) и для ИС (внизу) (с разрешения фирмы Hewlett-Packard): а - идеальный ва­ риант; б - приемлемый вариант, но в этом случае могут возникнуть затрудне­ ния при оплавлении дозированного припоя; в - менее приемлемый вариант; г - не рекомендуемый вариант; д - попарноразнесенные площадки; е - вееро- образное проектирование ПJ1ощадок. Примечание. Размеры даны в дюймах. • Зондовые измерения не должны сосредоточиваться в одной зоне платы, поскольку пла·та может деформироваться во время испытаний под действием зондов. • В современной практике минимальным расстоянием между двумя зондами считается размер 0,050 дюйма (1,27 .мм), что следует учитывать при проектировании топологии тест-пло­ щадок (рис. 4.6). Можно реализовать и меньшее расстояние, но за счет ощутимых дополнительных затрат на испытатель­ ную оснастку. • Высота хомпоненто.в, установленных на плате со стороны зон­ дирования (зондО'вых измерений), не должна превышать 0,250 дюйма (6,35 мм). • Допуски на размещение тест-площадок не должны превышать +О,002 дюйма (О,0508 мм) относительно направляющих тех­ нологических отверстий платы. Допуск на диаметр техноло­ гического отверстия платы составляет 0-0,003 дюйма (0,0762 мм). 9-1533
!,~1 _1з_о_____________r_n_ав_•_4 _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ _ _ :,1 0,035 Рис. 4.6. Рекомендуемые минимальные расстояния между испытательными кон­ так тными площадками (источник: Hew- lett-Packard). Примечание. Размеры даны в дюймах . Ограничения по плотности монтажа и по подготовке платы, связанные с внутрисхемным тест-контролем, могут быть частич- но ослаблены, если на стадии проектирования предусмотреть на плате встроенные средства ·контроля. Результатом этого будет повышение сложности конструкции платы, что ухудшит условия работы тестера и непременно потребует дополнительных испы­ таний встроенных схем контроля. Разработанный недавно .фирмой Logical Solutions Technology испытательный тракт потенциально обеспечивает требуемый ком­ промисс. В плату встраивается испытательный интерфейс для подключения к внешнему испытательному оборудованию, обеспе­ чивающему визуализацию основных элементов схемы устройст­ ва. Он также позволяет иёпытывать отдельные участки сложных схем. Эта новая техника занимает всего лишь 8% общей площа- ди платы в сравнении с 20% и более для традиционных тест-пло­ щадок (с учетом площади платы, освобожденной для подклю- чения испытательной оснастки) /'i О&ЕСПЕЧЕНИЕ ТЕХНОЛОrичности НА эт АПЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ В технике поверхностного монтажа размещение компонентов на плате зависит от технологии изготовления из делий. Особой проработки требуют процессы размещения и позиционирования компонентов на плате, а также пайка. При раз1мещении некоторых компонентон появляются ограни­ чения, например, если рядом располагается больший по высоте компонент . В качестве характерного примера такого рода огра­ ничений можно указать на трудность размещения чип-резистора, примыкающего своим торцом к трансформатору. Операция мон­ тажа в данном случае должна выполняться вручную. Другой причиной появления ограничений при ра з мещении компонентов может оказаться смешанный монтаж на двухсторонней плате. Это имеет место, когда традиционные компоненты монтируют.ся в отверстия с одной стороны платы, а их выводы выходят на другую сторону платы, где устанавливаются компоненты для поверхностного монтажа . В этом случае зазор между выводами обычных и монтируемых на поверхность компонентов должен быть не менее 0,040 дюйма (1,016 мм), а расстояние между вы-
Проектнроввнне nпвт в ТПМК 131 Таблица 4.5. Рекомендуемые расстояния между резисторами (конденсаторами) типоразмера 1206 и конденсаторами типоразмера 0805*> Единицы: дюймы (мм) Варианты компоновки ll]Fmin 11 llА1111В11 /.,. ·Fmin "/ *) С разрешения SJgnetics Corp. 1 К:омпонент А /----К:_ом_п_о_не_н_т_в____ R/C 1206 С 0805 R/C 1206 0,12 (3,048) 0,112 (2,8448) С 0805 О, 112 (2, 8448) О, 104 (2, 6416) R/C 1206 0,232 (5,8928) 0,212 (5,3848) СО805 0,212 (5,3848) 0,192 (4,8768) R/C 1206 О, 164 (4, 1656) 0,148 (3,7592) СО805 0,144 (3,6576) 0,12 (3,048) водом обычного компонента и коммутирующей дорожкой не ме­ нее 0,020 дюйма (О,508 мм). Местоположение компонента на плате также влияет на эф­ фективность компоновки изделия как с точки зрения программи­ рования процесса проектирования, так и особенностей реального позиционирования компонентов. Если компоненты размещаются на плате с неравномерными промежутками, то их индивидуаль­ ные позиции трудно программировать на вычислительной маши­ не. При использовании регулярного размещения программиро­ вание существенно упрощается. Типичными расстояниями между центрами корпусов компонентов, среди прочих, являются О, 1 дюй­ ма (2,54 мм) и 0,2 дюйма (5,08 мм). Это дает существенные преимущества с точки зрения стандартизации программы разме­ щения компонентов, которая может быть использована в различ­ ных монтажно-сборочных автоматических установках, однако при этом увеличивается вероятность несанкционированного исполь­ зования программ и, кроме того, затрудняется оптимизация ком­ поновки при проектировании специальных устройств, например 9* :1:111 • !.' . .11 il~11',' ,1: '1.' !1 1 1 1
132 2,Sмм (примерно 0,1 АЮЙм) 1r- а 2,Sмм (примерно 0,1 дюйм) 1r- rnaвa 4 Рис. 4.7 . Размещение компонента при про· ектнрованин с использованием координат· ной сетки ·со стандартным шагом: центр симметрии компонента н узел сетки ие совпадают (а), совпадают (6). невозможно использование мини­ мального шага между компонента1ми (та·бл. 4.5 и рис. 4.7) . Ра1знообразие компонентов на плате как по численности, так и по конструктивным особенностям так­ же влияет и на эффективность мон­ тажа. Если компоненты размещены при проектировании неравномерно. то оборудование для группового по­ зиционирования и монтажа исполь­ зуется не эффективно. На скорость работы автомата оказывает влияние б как количество одновременно уста- на1вливаемых компонентов, так и различные сочетания ком1по­ нентов для двух видов монтажа. Если автомат в данном случае является частью поточной линии, то эти факторы следует учиты­ вать при оптимизации технологических режимов всей линии. Стандартизация как можно меньшей совокупности типов ком­ понентов (в рамках одного стандарта) будет способствовать по­ вышению ее эффективности. АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ (САПР)*> Применение САПР оказывает существенное влияние на ка­ чество проектирования изделий в ТПМК. В настоящее время разработчики ,м·огут использовать настольные персональные ЭВМ для проектирования топологии, моделирования схем, расчета вреыеннЫх параметров схем, моделирования тепловых режимо'В устройств и исследоцания их допусков. Несмотря на то что применение ТПМК генетически связано с техникой традиционных микросбброк, разработка изделий в ТПМК - процесс более сложный, что связано с потребностью в большом объеме информации. Например, нужен большой массив *> Часть информации, помещенной в данном разделе, была представлена Дж. Райджиолем н Г. Чайлдхаусом из Aпimat/USA Corp" специализирующей­ ся ш~ проектировании коммутационных плат.
Проектнроввнне nnaт в ТПМК 183 данных по конструктивным параметрам элементной базы, так как один и тот же компонент обычно имеет несколько вариантов корпусного исполнения. В библиотеке данных должна содержать­ ся инфор~мация о прямом и зеркальном изображениях знако­ места компонента, сведения о правилах трассировки и т. д. В идеале база данных должна обеспечивать возможность проектирования нескольких слоев с топологией контактных пло­ щадок, например контактные площадки для установки компо­ нентов, для нанесения припоя через маску, площадки для нане­ сения припайной пасты, а такж.е испытательные площадки. Кро­ ме того, для всех вариантов корпусного исполнения компонента должны быть введены данные для проектирования зеркальных изображений знакомест. В противном случае пользователь САПР должен в самом начале выбрать и ввести эти данные о компо­ нентах в ЭВМ, что чревато внесением ошибок. При проектирова­ нии ~многослойных плат особую важность имеют требования, свя­ занные с разводкой шин питания через отверстия. В некоторых библиотеках для этого предусматриваются исходные данные, од­ нако иногда они отсутствуют, в результате чего могут возникнуть трудности при монтаже компонентов с обратной .стороны платы. Часто эти отверстия задаются жестК!о, и их местоположение нель­ зя изменять в интерактивном режиме работы ЭВМ. Смещение отверстия может усложнить автоматическое испытание требуе­ мого компонента. Аналогичное затруднение ·в ряде случаев воз­ никает в отношении цепей питания, которые должны быть по отдельности связаны с общей шиной питания без применения межслойного перехода, что ведет к увеличению полезной площа­ ди для трассировки и монтажа. При проектировании изделий в ТПМК очень важно также учитывать особенности позиционирования. Как уже указывалось, основные трудности при поверхностном монтаже компонентов на коммутационных платах независимо от того, определяет ли по­ требитель процедуру монтажа сам или она задается ррограммны­ ми средствами (с возможностью интерактивного режИJма для пользователя), вызваны тем, что компоненты могут устанавли­ ваться на обеих сторонах платы. Следовательно, большинство программ, рассчитанных на традиционные печатные платы, явля­ ются непригодными для ТПМК. Кроме того, иногда требуется изменение алгоритма позицио­ нирования с целью оптимизации расположения компонентов и у~меньшения количества отверстий, а следовательно, и увеличе­ ния производительности монтажного оборудования. Другим важным моментом является размещение испытатель­ нЫх площадок. Если топология испытательных площадок не включена в виде приложения к перечню компонентов, стандарт­ ная программа позиционирования может и не содержать про­ цедур, связанных с проектированием испытательных элементов. ,I: 11· 11 11 i1, 11
134 rnавв 4 Положение облегчается, если алгоритм ра,З1Мещения преду­ сматривает возможность перемещения компонента с верхней сто­ роны платы на нижнюю. Кроме того, целесообразно, чтобы про­ грамма включала средства оперативного распознавания, т. е. определяла, на какой стороне платы размещается тот или иной компонент. Поэтому крайне важно иметь средства, обеспечиваю­ щие визуализацию топологии верхней и нижней сторон платы одновременно. В случае отсутствия таких средств необходимо обеспечить воз~можность осуществления контроля топологии верхней и нижней сторон платы с помощью экрана микроскопа хотя бы поочередно. · Стандартные программы трассировки для ТПМК должны, в сущности, представлять пользователю как можно более широ­ кий диапазон размеров коммутирующих дорожек и контактных площадок. В идеале э11от диапазон не должен быть ограничен­ ным, если иметь в виду постоянно .меняющиеся правила проек­ тирования по мере развития ТПМК. В настоящее время разра­ ботчики в США могут прокладывать ко~ммутирующие дорожки шириной 0,008 дюйма (О,2032 мм) (и с таким же шагом) между контактными площадками 0,025 дюйма ХО,025 дюйма (0,635 мм Х ХО,635 м~м) при межцентровом расстоянии 0,050 дюйма (l,27мм). Однако промышленной нормой должны вскоре стать коммути­ рующие дорожки шириной 0,005 дюйма (О,127 мм) с шагом 0,005 дюйма (0,127 мм). Сейчас пока не ясно, но, по-видимому, программа должна обеспечивать возможность сочетания раз­ личных приемов проектирования, например позволять варьиро­ вать ширину и шаг коммутирующих дорожек и тем самым ис­ пользовать менее узкие дорожки и большие расстояния между ними там, где площадь платы это позволяет. Большинство си­ стем автоматизированного проектирования не предоставляет пользователю возможность работать с широким диапазоном раз­ меров элементов коммутации и сочетать различные приемы про­ ектирования. По всей вероятности, важнейшим требованием, предъявляе­ мым к программе трассировки, является обеспечение оптИIМаль­ ного проектирования межслойных переходов . Немногие програм­ мы это позволяют осуществить. Поэтому приходится использо­ вать системы с интерактивным режимом. В любом случае пакеты nрогра~мм должны содержать достаточно сведений для преци­ зионного проектирования .отверстий в различных слоях платы. В то же время не следует переоценивать возможностей работы. с программой в интерактивном режиме. В действительности на сегодня лишь небольшое количество плат в ТПМК спроектиро- вано полностью ·с применением САПР. · Система проверки правил проектирования, как показала практика, существенно важна для создания удачной конструк­ ции изделия. При этом целесоО1бразно проверять не только не-
Проектнрованне nnaт в ТПМК 135 прерывность сигнальных цепей и цепей питания, но и распозна· вать нарушения размеров шага .коммутирующих дорожек, зна­ комест и т. д. Поскольку большинство имеющихся систем проверки качества проектирования рассчитаны на изделия с тра­ диционным монтажом, то в применении к ТПМК возникают труд­ ности, связанные с двухсторонним монтажОJМ. Имеются также определенные трудности при контроле готовой топологии изде­ лия, так как обычно различные ~слои материалов со своим ри­ сунком накладываются друг на друга. Пакеты п'рограмм САПР для проектирования изделий с по­ верхностным монтажом совершенствуются по мере проникнове­ ния этой новой техники на рынок, т. е. довольно быстро. У боль­ шинства передовых предприятий существует тенденция раздель­ ного использования САПР для проектирования трассировки плат и знакомест. ПРдКТИЧЕСКИЯ ПРИМЕР. ТЕХНИКА ПОВЕРХНОСтноrо МОНТдЖд: точкд ЗРЕНИЯ изrотовИТЕЛЯ Р. Роуленд Отделение изготовления микросборок, !-Omega Corp., г. Рой, штат Юта, США Фирма 1-0mega Corp., ведущий разработчик и изготовитель съемщ,1х каосетных накопителей на дисках, активно осваивает ТПМК. К этОJМу побуждают обычно две причины. Первая при­ чина - традиционная и связана с заинтересованностью большин­ ства компаний в ТПМК, позволяющей повысить функциональ­ ную сложность на единицу площади изделия или получить ту же функциональную сложность на меньшей площади. Вторая при­ чина (и, как полагает фирма, не менее важная) - возможность получить более высококачественные микросборки при использо­ вании технологических процессов, присущих ТПМК. Эта идея может показаться несколько неожиданной для некот·орых спе­ циалистов, но фирма считает, что технология изг_отовления изде­ лий методами ТПМК является в большей степени контролируе­ мой, чем обычная технология. Более высокое качество в ТПМК достигается уменьшением количества переменных факторов, влияющих на технологический процесс за счет их стабилизации и конт·роля, иными словами за счет обеспечения более контроли­ руемой технологической среды. Фирма I-Omega ·характеризует технику поверхностного мон­ тажа как использующую микроминиатюрные, безвыводные ком­ поненты или с выводами, которые непосредственно паяются на поверхность коммутационной платы. Сквозные отверстия служат для ком1Мутации различных слоев платы между собой или соеди­ нения испытательных площадок с контролируемыми точками, расположенными на разных сторонах платы.
136 rnau " Преимущества ТПМК. Техника поверхностного монтажа име­ ет целый ряд преимуществ, которые можно разделить на 3 группы: 1. Конструкционные: • У·величение функциональной сложности на единицу площади (меньшие габариты микросборок). • Уменьшение размера конечного изделия (благодаря у~меньше­ нию размеров микросборок). • Улучшение частотных характеристик (вследствие уменьше­ ния длины сигнальных шин). • Повышение помехозащищенности от электромагнитных, в част­ ности радиочастотных, помех (из-за уменьшения длины сиг­ нальных шин). • Улучшение массога·баритных показателей (вследствие умень­ шения габаритов микросборок). • Снижение затрат на фрахт и транспортировку (из-за умень­ шения габаритов изделий). 2. Технологические: • Возможен полностью авто~матизированный процесс сборки и монтажа. • Технология поверхностного монтажа проще поддается автома­ тизации, чем традиционная (компоненты разработаны с уче­ том возможности автоматизации сборки и монтажа на поверх­ ность плат, что гораздо легче, чем в отверстия). • Повышение эффективности использования производ·ственных площадей (на одной и той же площади с помощью ТПМК можно изготовить больше изделий, чем при обычном .мон­ таже). • Снижение капитальных затрат. • Снижение затрат на материалы (особенно в будущих изде­ лиях). • Уменьшение. трудовых затрат (преимущественно из-за умень­ шения объема ремонтных рабо·т). • Не требуются ча.стые омены барабанов носителей .компонен­ тов (снижаются затраты на эту операцию). • Не требуется предварительной подготовки компонентов и со­ ответствующего оборудования. 3. Преимущества, связанные с повышением показателей качества: • Улучшение качества пайки (исключение перемычек припоя). • Повышение надежности · раЗ1Мещения компонентов на плате (переменные технологические факторы в ТПМК контроли­ руются). • Уменьшение количества с.тiоев при том же самом уровне функ­ циональной сложности (отказ от применения металлизирован­ ных сквозных отверстий существенно увеличивает площадь, отводимую под компоненты и трассировку устройств) .
Проектнрованне nnaт в ТПМК 137 • Уменьшение количества металлизированных отверстий, каж­ дое из которых служит потенциальным источником дефектов. Не все из этих преимуществ ~"югут быть реализованы сегодня. Часть из них может оказаться достижимой только через многие годы. Поэтому при освоении технологии поверхностного монтажа специалист всегда должен иметь в виду, что преимущества но­ вой технологии в полной мере реализуются не сразу. Недостатки. В технике поверхностного монтажа приходится решать множество проблем, в том числе присущих и традицион­ ному ~монтажу. Ниже приводится часть проблем, с которыми столкнулись на практике специалисты фирмы I-Oщega: 1 ' • Недостаточная номенклатура и объем выпуска компонентов для поверхностного монтажа (самая большая проблема). - • Недостаточно низкая стоимость компонентов (хотя она посто­ янно снижается). • Контролепригодность микросборок (затруднена, но постепен- .1 но повышается). • Недостаточная .стандартизация компонентов (аналогичное по­ ложение с традиционными компонентами). • Затруднен отвод тепла (изделия ТПМК требуют большего от­ вода тепла). • Необходимость обеспечения копланарности для компонентов на платах (особенно крупногабаритных компонентов). • Сложность выполнения ремонтных работ (при простоте демон­ тажа большинства типов компонентов существуют трудности монтажа некоторых из них). Специалисты фирмы I-Omega придерживаются мнения, что преимущества ТПМК перевешивают ее недостатки и что в буду­ щем проблемы, связанные с указанными недостатками TQMK, могут быть частично или полностью решены. До выбора оборудо­ вания и начала производства следует провести научно-исследо­ вательскую ра:боту для решения основных проблем. Проведение этой работы требует времени, однако это в конечном итоге себя оправдывает_ (из-за уменьшения потерь при освоении ТПМК). Начало работ. Первое и наиболее важное, что нужно сделать при освоении ТПМК,- это провести структурную реорганизацию подразделений. Техника поверхностного монтажа, как и любое другое начинание, требует от коллектива специалистов творче­ ского подхода к проблеме. Каждая группа, которая связана с разработкой и изготовлением микросборок, должна быть задей­ ствована с начала ра1бот по освоению новой техники. Барьеры между разработчиками и изготовителями (если они существу­ ют) должны быть преодолены, другими словами, подразделения
138 Гпава 4 должны сотрудничать друг с другом; в конечном итоге у всех одна и та же цель: создание высококач€ственного, технологично­ .rо изделия. Принципиально важной особенностью поверхностного монта- .· жа являеr~ся учет требований технологии на этапе проектирова- .ния. Если между разрабо'ГЧиком и изготовителем при сотрудни­ ·честве отсутствует взаимопонимание в достижении этой цели, качество изделия никогда не будет таким, каким оно могло бы стать. Специалист должен знать, чтб он должен получить и как это получить, используя достоинст.ва суще.ствующей техники (рис. 4.8). Фирма 1-0mega провела интенсивные исследования, касаю­ щиеся техники поверхностного монтажа, прежде чем закупить технологическое .оборудование для производства нужной продук­ ции. Вот основное содержание этих исследовательских работ : • Целесообразность организации собственного производства из­ делий с поверхностНЫIМ монтажом по сравнению с их произ­ водством на стороне по·контрактам. • Стоимость и номенклатура компонентов для поверхностного монтажа на рынке. :• Технология производства коммутационных плат для ТПМК. ·е Оборудавание для САПР. • Материаловедческие- проблемы. • Техника трафаретной печати (нанесение адгезивов и прnпой­ ных паст). • Техника для установки компонентов на плату. • Техника пайки расплавлением дозированного припоя (срав­ нение методов пайки с ИК-нагревом и с оплавлением припоя в парогазовой среде). • Техника очистки изделий ТПМК после пайки. • Ремонтные работы (исправление брака) . В результате исследований были приняты следующие ре­ шения: • Закупить оборудование и наладить собственное производство изделий, поскольку при этом· обеспечивается более высокий уровень качества и меньшие затраты на производство изделия · в целом. • Использовать систему технологической транспортировки ма- териалов и деталей . . • Установка компонентов с обеих сторон платы (заселение пла­ ·ты) должна производиться на одном технологическом этапе позиционирования. • Использовать две сборочно-монтажные системы. • Использовать пайку с ИК-нагревом.
Проеiстнроввнне nnaт в ТПМК 139 -------------'Склады комnонентов и матерttаnов '- - - -- - -- - - - Загрузка компонентов, монп1руемык на поверх· ность КП, в систему nодготоека традицион­ ных компонентов Загрузка КП в накопмтели плат Загрузка накопителем в сборочно-монтажные сr~стемы кп с ДByXCTODOHHl'IM монтажом кп с односторонним монтажом Нанесение адгезмва через тра­ фарет на обратную сторону КП Размещенме компонентов на обратноii стороне КП Отвержденме адгезива Перевертывание платы Нанесение прмлойной ласты на лицевую сторону КП Размещ,енме компонентов на лкцевом стороне КП· Паiiка расплавлением доз11рованного пркnоя Размещение комnонентев в отверстия платы вручную Паiiка волной припоя Очистка после лайки Контроль качества паяных соединений Нанесение npиnoiiнoiinacты на nицевую сторону кn Размещение сложных компо­ нентов на лицевоii rтороне КП Паiiка расплавлением дозированного npиno~ Размещение компонентов в отверстия платы вручную Окончательное устранение дефектов Паiiка волной припоя Очистка после naiiкм Конгроль качества • паяных соединений ·контроль качества монтажа Приема-сдаточные ~спытания Загрузка компонентов, монтируемых на nоверк­ ность КП, в систему Загрузка компонентов, монтируемых на nоверк­ ность КП, в систему Подготовка тради цион­ нык компонентов Рис. 4:8. Алгоритм реализации технологического процесса с поверхностным монтажом: КП - коммутационная плата. • Систему очистки изделий (по'сле пайки) органическими рас­ творителями включить в состав сборочно-монтажной поточ­ ной линии. Специалисты фирмы I-Omega полагают, что бoJiee высокий уровень качества изделий в ТПМК может быть достигнут вслед­ ствие выполнения разработки с уч~то.м всех специфических тре­ бований к ней (именно здесь весьма существенна возможность учета особенностей технологии на этапе проектирования изде­ лия).
140 rяавв 4 Линия по производству изделий с поверхностным монтажом фирмы I-Omega функционирует с июля 1986 г. Выпускаемые ею изделия отвечают заданным требованиям. Уровень качества из­ делия повышает·ся по ~мере приобретения знаний и опыта инже­ нерно-техн ическим персоналом. Учет особенностей технологии на этапе проектирования позволил фирме решить многие из проблем до начала производства микросборок и тем самым повысить ка- . чество и эффективность производства. Для бесперебойной и на­ дежной работы оборудования очень важно предусмотреть его профилактический рем·онт. . В заключение можно сказать, что успешная реализация тех­ нологии производства изделий с поверхностным монтажом зави­ сит от выбора технологического процесса, технологического обо­ рудования и качества проектирования изделий. Рекомендуется в работе, особенно при освоении новой техники: 8 Сотрудничать друг с другом, так как очень важна атмосфера коллективной работы. • Выбирать для выполнения операций лучшие · технологические приемы и режимы. • Автомати з ировать технологические процессы для ·повышенйя качества производства изделий. . " • Осуществлять автоматизацию в разумных пределах и не за­ бывать об эргономических факторах. • Проектируемые изделия должны быть высокотехнологичными. · Специалисты фирмы I-Omega оптИ~мистично смотрят в бу­ дущее и ожидают реали з ации перспектив от внедр ен ия новой тех­ ники. Техни·ка поверхностного монтажа, при правильной ее реа­ лизации, наверняка окажется более надежной, чем имеющаяся .·в производстве перспективных изделий.
Глава 5 ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССОВ В ТПМК В настоящее время, характеризующееся переходом к ТПМК, на платах чаще всего устанавливаются компоненты смешанного состава в корпусах, предназначенных как для монтажа в отверстия, так и для поверхностного монтажа, чаще всего иа обеих сторонах платы. Это наиболее сложный тип сборки. Обычно требуется два года, чтобы полностью овладеть этой новой техникой и достичь высокого уровня годных, присущего ТПМК. Техника поверхностного монтажа требует знаний физико-химических основ технологип, в частности процессов установки компонентов и пайки. Историче­ ски с.1ожилось так, что механизм пайки волной припоя остался недостаточно ·хорошо изученным при реализации монтажа в отверстия, но это не оказывало существенного влияния на другие этапы изготовления изделия. В производстве микросборок методами ТПМК на различных технологических этапах химиче­ ские, тер~1охимические и металлургические процессы тесно взаимосвязаны. Бо:rьшннство инженеров-технологов не достаточно компетентны в этих обла­ стях знаний. Кроме того, приложение теоретических основ технологии к про­ цессам производства часто не в по.1ной мере отражается в технологической документации. В данной главе рассматриваются варианты реализации пол­ ностью :Поверхностного и смешанного монтажа. Выбор варианта во многом зависит как от особензостей конструкции технологи­ ческой ( сборочно-.монтажной) линии, так и от других факторов, обычно учитываемых на стадии производства изделий. Микросборки в ТПМК отличаются от традиционных в не­ скольких отношениях: • Корпуса компонентов для поверхностного монтажа не закреп­ ляются на поверхности платы с помощью выводов и поэтому нуждаются в механическом креплении на плате с помощью эпоксидных клеев или припойной пасты. После размещения компонентов на плате осуществляется отверждение эпоксид­ ной смолы ·непосредственно перед пайкой. • Пайка волной припоя применима только к простым корпусам компонентов для ТПМК, устанавливаемых на обратной сто­ роне платы, и к тешюстойки:11 компонептам. Компоненты на лицевой стороне платы должны припаиваться с применением одного из методов оплавления дозированного припоя: в паро­ газовой среде, с помощью ИК- или лазерного нагрева. • При смешанных методах монтажа производственная линия должна включать манипуляторы для перевертывания плат и, как минимум, две установки пайки. • До проведения пайки изделия с компонентами должны пере­ ~мещаться от операции к операции с использованием прецизи­ онных автоматизированных транспортных средств со специ­ ' альными накопителями, обеспечивающих целостность компо­ нентов и сохранение их позиции на плате с высокой точностью.
142 rnaaa s ВАРИАНТЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОrо монтАЖА Существует 3 основных варианта реали з ации поверхностного монтажа: • Чисто поверхностный монтаж на плате (односторонний или двухсторонний). • Смешанно-разнесенный вариант, когда традиционные компо­ ненты ра з мещают на лицевой стороне платы, а простые ком­ поненты для поверхност.ного монтажа - на обратной . • Смешанный монтаж, например на лицевой стороне платы , и поверхностный на обратной (когда традиЦионные компон е нты и сложные компоненты для поверхностного монтажа ра з ме­ щают на лицевой стороне платы, а простые поверхностно мон­ тируемые ко.мпоненты- на обратной стороне платы). Чисто поверхностный монтаж (одно- или двухсторонний). В этом случае число технологических операций 'Минимально . На диэлектрическое основание платы наносят припайную пасту ме­ тодами трафаретной печати. Количество припоя, наносимое на плату, должно обеспечивать требуемые эл е ктрофизические ха­ рактеристики комм1ут.ирующих элементов ( д ля чего необходим соответствующий контроль). После осуществления позициониро­ вания и фиксации компонентов следует операция пайки оплавле­ нием дозированного припоя с применением одного из методов, рассматриваемых в гл. 8. В случае двухстороннего поверхностно­ го монтажа на обратной стороне платы фиксируются простые ком·поненты с помощью адгезива. После отвержд ения адгезива компоненты подвергаются пайке двойной волной припоя либо оплавлени~м дозированного припоя , затем осуществляются очист­ ка, контроль и испытания смонтированных плат (при необходи­ мости платы переворачиваются). Смешанно-разнесенный монтаж. Существуют две ра з новид ­ ности реализации этого варианта монтажа . Чаще всего сборку начинают с установки традиционных компонентов в отверстия платы, после чего раз .мещают компоненты на поверхности платы (рис. 5.1). В алнтернативном случае (рис. 5.2) сначала устанав­ ливают компоненты на поверхность платы. Первый вариант при­ меняется тогда, когда формовка и вырубка выводов обычных компонентов ·осуществляется с помощью спец·иальных приспособ­ лений заранее, иначе компон енты, смонтированные на поверх­ ность платы, будут затруднять О'бре з ку выводов, проходящих через отверстия платы. Компоненты для поверхностного монтажа целесообразно монтировать первыми при повышенной плотности их размещения, что требует .минимального количества переворо­ тов платы в процессе изготовления изделия . Установка традиционных компонентов и сложных компонен­ тов для поверхностного монтажа на лицевой стороне платы, а
Коммутационная пnата без компонентов Особенности процессов в ТПМК 143 Установка и фиксация компонентов в отверстия w--------1 Компоненты пnаты Перевертывание пnаты Нанесение адгезива Размещение и ус­ тановка компо­ нентов на поверх­ ность пnаты Отверждение адгезива Перевертывание ппаrы Контроnь качества сборки традиционных компонентов и монтируемых на поверх­ ность пnаты Пайка двойной воnной припоя Очистка посnе пайки Исnравnение брака Контроnь качества 1---..i Исправnение· паяных соединений ,_бр:...а_к_а___ Ручная сборка специаnьных компонентов* Испытания Рис. 5.1. Схема реализа!iии процесса монт-ажа с использованием простых ком­ понентов для монтажа на поверхность и компонентов для монтажа в отвер­ стия платы (вариант 1). * Непаяемые и термочувствительные компоненты.
144 rnaвa 5 Коммутационная плата без 1-----0-1 Нанесение адгезива Компоненты компонентов Размещение и ус­ тановка компо­ нентов на поверх­ ность платы Отверждение адгезив-а Перевертывание платы Установка и фиксация комnонентов · в о'тверстия 14-------------1 платы Контроль сборки компонентов Пайка двойной волной припоя Очистка поспе пайки ~---0-1 Исправление i-----1 брака Контроль .______,~ Ислрdвление i-----1 паяных соединений ._б_ра_к_а___.._ Ручная сборка специальных компонентов* Испытания Рис. 5.2. С хема реализации монтажа простых компонентов на поверхность пла­ ты и компонентов, устанавливаемых в отверстия платы (вариант 2). • Непаяемые и :ермочувствнтельные компоненты. ·' " ' . :'
Особенности процессов а ТПМК также простых компонентов на поверхность обратной стороны.. Это, вероятно, самая сложная раз'новидность монтажа из всех. существующих, блок-схема ее выполнения приводится на рис. 5.3 .. Первым этапом является нанесение припайной пасты через тра­ фарет, установка на лицевой стороне платы сложных КО1мпонен­ тов для поверхностного монтажа (SOIC, PLCC) и пайки рас-. плавлением дозирова'нного припоя. Затем, после установки тра-­ диционных ко~понентов (с соответствующей обрезкой и фикса­ цией выводов), плата переворачивается, на нее наносится­ адгезив и устанавливаются компоненты простых форм для по­ верхностного монтажа (чип-кО1мпоненты и компоненты в корпусе· SOT). Эти простые компоненты и выводы компонентов, установ­ ленных в отверстия, одновремеmю пропаиваются двойной волноNo ·припоя. Возможно также использование в составе одной линии оборудования, обеспечивающего эффективную пайку компонен­ тов (с лицевой стороны платы) расплавлением дозированного. припоя и пайку (с обратной стороны платы) волной припоя. Следует отметить, чrо в таком технологическом процессе воз­ растает количество контрольных операций из-за сложности сбор-. ки при наличии компонентов на обеих сторонах п.Латы. Неизбеж­ но возрастает также количество паяных соединений и трудности: обеспечения их качества. Это усложняет работу автоматического, оборудования для контроля соединений (которое в настоящее время больше' применяется в США, чем в Европе). Поскольку существующее оборудование позволяет за один .прием контроли­ ровать лишь одну сторону платы, то для обеспечения контроля обеих сторон требуется дополнительная операция перевертыва­ ния платы. ВЫ&ОР ВАРИАНТА МОНТАЖА ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ИЗДЕЛИЯ Выбор варианта реализации монтажа при проектировании изделия с применением ТПМК осуществляется не только с точка -~рения технологических приемов его изготовления, но и в зави­ симости от сочетания традиционных и монтируемых на поверх­ ность компонентов. Специфика вариантов таких сочетаний в об­ щих чертах описана ниже, а более подробно поясняется с по­ мощью рис. 5.4 и табл. 5.1. • Вариант 1. Чисто (полностью) поверХJностный монтаж: набор. компонентов для ТПМК монтируется ,с лицевой или обеих сторон платы. • Вариант 11. Смешанный монтаж: смешанный набор компонен­ тов монтируется с лицевой или обеих сторон платы. • Вариант III. Смешанно-разнесенный монтаж: традиционные компоненты монтирую'ГСЯ с лицевой стороны, а компоненты для ТПМК - с обратной. 10-1533 1 1
146 Гnава 5 Коммутационная плата без Нанесение nриnойной Компоненты компонентов пасты через трафарет Размещение и установка сложных компонентов на поверхность платы Исправление брака Пайка расплавлением дозированного припоя Установка и фиксация компонентов· в отверстия платы Перевертывание платы адгезива Размещение и установка простых компонентов на поверхно сть пnаты Контрольные Отверждение испытания адrе3ива Ручная сборка Переверtывание специальных платы ко мпонентов* Контроль контроль Исправление к ачества качества Исправление брака паяных м о нтажа брака соединений ком nонентоа Рис. 5.3 . Схема реализации монтажа традиционных комп о нент ов, а т акже про­ стых н сложных компонентов, устанавливаемых на по ве р хнос ть платы. * Непаяемые 11 термочувствительные компоненты. , ;''
Особенности процессов в ТПМК а . •. 6 ~8 r z~ z ,,t;iJ7J>,~z г~/ г га б 11 9 10 ~12 tz~z~zz=z1iii&riiгzzа 13 14 6 Рис. 5.4. Варианты монтажа с прнмененнем ТПМК:: а - вариант 1. Чисто поверхностный монтаж. Все компоненты устанавлИваются на поверхность платы. Компоненты могут монтироваться на одной или обеих сторонах платы. Возможна одноступенчатая (одновременная) пайка всех ком- понентов. б - вариант 11. Смешанный монтаж траднцнонных н устанавливаемых на по­ верхность компонентов. Возможны любые комбннацин тех н других компонен­ тов с одной нлн двух сторон платы (разновидности вариантов: 11 А, 11 В, 11 С). но это требует многоступенчатой пайки (расплавлением дозированного припоя. волной и, возможно, ручной). в - вариант 111. Смешанно-разнесенная технология [компоненты для поверх­ ностного монтажа с одной стороны платы, а традиционные - с другой (с об- ратной) l. 1 - сложный компонент для монтажа на поверхность (PLCC с J-образными выводами); 2 - сложный компонент для монтажа на поверхность [кристалло­ носитель с выводами в виде крыла чайки (L-образный)]; 3 - чип-конденсатор~ 4 - чип-резистор; 5 - чип-резистор; 6 - сложный компонент для поверхност­ но·го монтажа (кристаллоноситель с выводами в виде крыла чайки); 7 - ре­ зистор. с радиальными выводами; 8 - корпус типа DIP; 9 - конденсатор с ак­ сиальными выводами; 10 - резистор с аксиальными выводами; 11 - резистор с радиальными выводами; 12- корпус типа DIP; 13- простой чип-резистор~ 14 - простой чип-конденсатор. Р?с. 5.4 иллюстрирует специфику каждого из вариантов, од­ нако важно иметь в виду, что сочетание достоинств и ограниче­ ний каждого варианта будет изменяться от пользователя к поль­ зователю. Нужно также учитывать, что потенциальный выигрыш объема, занимаемого изделием, в каждом случае является лишь приближенным показателем, так как указываемые в литературе и проспектах цифры варьируются на практике в широком диапа­ зоне, но именно максимальное использование ТПМК открывает- 10*
Таблица 5.1. Особенности вариантов реализации монтажа с применением 'ТПМК Особенности реализации Достоинства Ограничения Вариант 1. Исключительно поверхностный монтаж (с лицевой или обеих сторон платы) Только компоненты, монтируемые на поверх­ ности PLCC и (или) LCCC SOIC Наибольшая миниатюризации изделия степень всего Высокая автоматиза­ ция технологического процесса Высокая воспроизводи· масть, малый разброс ТАВ, СОВ и бескор­ пусные компоненты с жесткими выводами Чип-конденсаторы резисторы и электрофизических ха- Соединители Прочие компоненты (потенциометры, пе­ реключатели и т. д.) Плотность монтажа: вы- сокая и очень высокая ()дносторонннй или .двухсторонний монтаж рактеристик компонен­ тов за счет группового способа монтажа Одноступенчатый цесс пайки про· Высокая надежность из­ делия Процесс с потенциально высоким выходом год- ных Потенциально низкие за­ траты Улучшенные выходные электрические парамет­ ры изделия Уменьшение объема из­ делия на 40-75% Недрстаточная ноы е нк­ латура и объем выпуска компонентов для пов ·с рх­ ностного монтажа Б.ольшие пер_?оначаль­ ные затраты на приоб­ ретение сборочно-мон­ тажноrо оборудования Несовместимость по тер­ мическим характеристи­ кам (преимущественно для LCCC) Проблемы переквалифи­ кациl!. или обучения кад­ ров Вариант 11. Смешанный монтаж традиционных н устанавливаемых на поверхность компонентов (с лицев-ой IIЛИ обеих сторон платы) Разновидность II А: Разновидности II А, В, Разновидности II А, в: С: С: . Поверх ностно монтируе- Большой выбор компо­ мые компоненты на ли- нентов ~цевой . стороне платы Высокая плотность мон- (все компоненты как тажа для варианта 1) Оптимальная стоимость Пайка расплавлением компонентов .дозированного припоя Использование СБИС 'Традиционные компо- Уменьшение объема и·з- ненты с лицевой стороны делий на 20-60% Пайка волной припоя Простые поверхностно -монтируемые комnонен- Разновидность II А: -ты с обратной стороны Относительно легко ав- ·платы (чип-конденсата- томатизируемый процесс 'J>Ы, чип-резисторы и Можно использовать SОП имеющееся технологиче- ТТа йка волной припоя ское оборудование -одновременно с тради- ю;ионными компонентами Многоступенчатый те,х- нолоrический процесс Требуется дополнитель­ ное сборочно-монтаж11ое оборудование Требуется · переквали­ фикация или обучение кадров Затруднены испыта11ия и исправление брака Разновидность II А: Обратная сторона п.-а­ ты используется не пол­ ностью Многоступенчатый тех- нологпческин процесс
Особенности ·реализации Разновидность 11 В: Поверхностно монтируе­ мые компоненты с лице­ вой нли с обеих сторон плljты (все компоненты, как для варианта 1) Пайка расплавлением дозирова~ного прнпоя Традиционные компо­ ненты на лицевой или обенх сторонах платы Ручной монтаж тради­ ционных компонентов н пайка Разновидность 11 С: Поверхностно монтируе­ мые компоненты на ли­ цевой или обеих сторо­ нах платы (все компо­ ненты как для вариан­ та 1) Пайка расплавлением дозированного припоя Посадка и фиксация по­ верхностно монтируемых компонентов с помощью флюса на обеих стqро- нах платы Традиционные компо­ ненты только на лицевой стороне платы Автоматическая уста- новка компонентов Пайка волной припоя Достоинства Разновидность II В: Обеспечивает достаточ­ но высокую плотность монтажа Используется мини- мальное количество укладчиков .Разновидность 11 С: Обеспечивает достаточ­ но высокую плотность монтажа Полностью автоматизи­ руемый монтаж Пайка монтируемых в отверстия компонентов традиционным --способом (волной прнпоя) Продолжение Ограничения Разновидность 11 В: Требует затрат ручного труда Многоступенчатый тех- нологический процесс Разновидность 11 С: Требует специального флюса для закрепления компонентов на обратной стороне платы Многоступенчатый тех- нологический процесс Необходимость техно- логического контроля при лужении платы Вариант 111. Традиционные компоненты с лицевой стороны, компоненты для монтажа на поверхность - с обратной стороны платы (смешанно-разнесенный монтаж) Традиционные компонен- Некоторый выигрыш в Ограниченное прнмене­ ты на лицевой стороне плотf!ости монтажа по ние компонентов с боль- платы сравнению с традицион- шим чнслом выводо11 Простые поверхностио ной технологией монта- (корпусов БИС для мон- монтируемые компонен- жа тажа в отверстия пла- ты на обратной стороне Одноступенчатый про- ты) платы (чип-конденсата- цесс пайки Требуется адгезив ры, чип-резисторы, SOT) Можно использовать Трудности при позицио- имеющееся оборудование ннровании компонентов Объем изделий уменьша- ется 11а 10-30% С разрешених журнала cAssemЫy Engi11eering>. '
150 rnaвa 5 самые широкие возможности для мцниатюризации аппаратуры. Иногда выбор окончателЬ'ного варианта определяется предысто­ рией микросборки: например, изготовитель аппаратуры может облегчить себе переход к ТПМК путем несложной переделки су­ ществующей топологии платы, разработанной в расчете на тра­ диционные компоненты. В этом случае процессы сборки и мон­ тажа .будут, очевидно, ограничены спецификой предшествовав­ шей конструкции . . Разработка топологии плат во многом определяется выбором элементной базы, что .в свою очередь обус:Ло.вливает ,специфику процессов сборки и монтажа. Иногда само отсутствие каких-либо компонентов для поверхностного монтажа вынуждает к исполь­ зованию традиционных компонентов. Однако эта проблема по- · степенно теряет овою остроту, особенно применительно к интер­ фейсным ИС (например, входным и выходным буферным схемам) в цифровой аппаратуре. Некоторые СБИС 1Могут не выпускаться в t<орпусах для поверхностного монтажа, и тогда нужно сделать выбор между традиционными компонентами и бескорпусными кристаллами, подобными используемым, например, в толстопле­ ночных гибридных ИС. В таких ГИС, как показывает практика, зав .ершающим этапом монтажа является ручная установка ко1М- <понентов и пайка. Некоторые 1юмпоненты не поддаются миниатюризации до размеров, обеспе'Чивающих их монтаж на поверхность. Трудно, -например, представить себе электролитический конденсатор с большой номинальной емкостью, уменьшенный до размеров, при­ годных для поверхностного монтажа, несмотря на значительный прогресс в области производства электролитических (оксидных) чип-конденсаторов. Это ж1е можно сказать об индуктивностях. Имеются также компоненты, .выпускаемые в недостаточном объеме или несовместимые с некоторыми технологическими про­ цесса.ми изготовления изделия. Это в большей степени присуще конденсаторам, например керамическим и электролитически~м, которые могут повреждаться при длительном погружении в рас­ плаJВленный припой, что приводит к появлению дефектов в пая­ ных .соединениях (трещин, пустот и т. д.). Компоненты в сложных корпусах, например квадратных с четырехсторонней разводкой выводов, не должны подвергаться пайке волной припоя (как пас­ сивные компоненты для поверхностного монтажа, установленные на обратной стороне •платы) из-за слишком большой вероятности образования перемычек припоя. Период времени использования промежуточнщо омешанного монтажа компонентов ,в ТПМК, который едва ли можно наз.вать коротким, по всей вероятности еще продолжит свое существова­ ние в течение нескольких ближайших лет. Ожидается, что платы с чисто поверхностным монтажом получат распространение а начале 1990-х гг. ~
Особенности процессов в ТПМК 151 rи&кдя АВТОМ~ТИЗАЦИЯ в тпмк Концепция гибкости автоматизированных систем за послед­ ние годы претерпела сущестненную эволюцию. На уровне сбороч­ но-монтажного автомата гибкость обеспечивается сочетанием двух ключевых факторов: • о·бщего числа типонО1Миналов компонентов в одинаковом кор­ пусном исполнении для одной монтажной головки (например, 100 типономиналов компонентов на лентах-носителях шири­ ной 8 'ММ). • Общего количества различных типоразмеров корпусов компо­ нентов, монтируемых ~ помощью одной монтажной головки [например, конструкции всех типов форматов для ТПМК: пас­ сивных чип-компонентов на лентах-носителях шириной 8 и 12 мм, корпусов типа SO и PLCC с площадью установки до 1 дюйм2 (6,45 см2)]• На уровне технологического процесса гибкость достигается умелым использованием ресурсов имеющегося оборудования. Если применяется несколько аборочно-монтажных автоматов, пропускная способность технологической линии увеличивается, а компонента1м, наиболее часто используемым при сборке, выде­ ляется дополнительное количество питателей-накопителей, тем самым уменьшается время перенастройки оборудования. До недавнего времени эффективность работы сборочно-мон­ тажных линий определялась путем расчета экономически оправ­ данного размера партий микросборок по специальной формуле. Однако опыт показал, что уменьшение раз1меров партий произ­ водимых микросборок требует повышения гибкости и увеличения времени перенастройки оборудования. А это, несомненно, озна­ чает, что производст,венное оборудование будет загружено лишь только час'l'Ь времени. Снижение размеров партий изделий при увеличении их номенклатуры, в сочетании с уменьшением време­ ни непрерывной работы производственной линии приведет к тому, что в процессе изготовления изделий будет создаваться меньшая прибавочная стоимость, но при ЭТОIМ требования потребителя бу­ дут удовлетворяться лучше, а риск потерь дорогих конечных про­ JJ.уктов, например при отказе потребителя от заказа, уменьшится. Поэтому в настоящее время общепризнано, что гибкость обяза­ тельно подразумевает наличие избыточных производственных мощностей, а также увеличение капиталовложений. Следует от­ метить, что все теории, указывающие на непрои~водительные по­ тери времени в ра1боте производственной линии, недооценивают требований реальной действительности. Пользователи оборудования не хотят обеспечивать гибкость производственных ли:w:ий любой цеrюй и для сокращения времени
152 rnau 5 перенастройки изыскивают самые разнообразные средства, вклю- · чая следующие: • Постоянное повышение гибкости имеющейся техники путем увеличения номенклатуры компонентов и раз .нообразия кор­ пусов, на которые она рассчитана. Наиболее показательным примером могут служить автоматы-укладчики компонентов для поверхностного монтажа. • Модернизация приобретенного обор1удования с привлечением . для этого опытных и изобретательных с.пециалисrов. Напри­ мер, 70-головочный автомат- укладчик компонентов в . корпу­ ~еах типа DIP может быть модернизирован путем добавления двух 40-головочных установок (по одной с каждой стороны - поточной линии). В результате .время 'Перенастройки составит менее одной минуты и размер партии изделий не будет влиять на экономические показатели автомата. При этом 70 головок непрерыв.но загружаются DIР-корпусами наиболее часто ис­ пользуемых типоразмеров; 40-головочные уста.новки загружа­ ю'l'Ся отдельно от основного потока другими DIР-корпусами с ~менее ра·спространенными типоразмерами, требуемыми для конкретной партии изделий. • Если количество типора'Змеров корпусов, устанавливаемых на конкретной плате, превышает число имеющихся захватываю­ щих устройств (или монтажных головок) у автомата-укладчи­ ка, то при изготовлении очень сложных изделий либо при слишком большом объеме их произ.водства каждая партия пропускается через ~автомат-укладчик дважды для обеспече­ ния монтажа в1сех требуемых компонентов на плате. • Во многих :елу•чаях на стадии цроектиро1Вания изделия закла­ дываются стандартизированные компоненты, однако в случае сложных изделий и большого разнообразия компо.нентов это трудно реализуемо. • Стандартизация ширины плат с целью сокращения продолжи­ тельности перенастройки оборудования, особенно в случае ис­ пользования автоматических загрузчиков и разгрузчиков плат, что также не просто реализовать для ·большинства сборочных линий. Увеличение толщины платы при повышении уровней ко.ммутации редко :еебя оправдывает при смешанном монтаже ·С больпiой долей компонентов -для поверхностного монтажа, поскольку формовка и обрезка выводов традиционных компо­ нентов в этом случае усложняется, что ведет к удорожанию процесса производства. Н€достаточная стандартизация разме­ ров ширины платы является препятствием на пути реализации автОIМ атизированных систем транспортировки плат, особенно при организации произ·водств с эффективным вложением ка­ питала. По-иному обстоит дело в случае интегрированных по­ точных линий, которые выпускаются в настоящее время для
Особенности процессов в ТПМК 153 монтажа плат с малой долей ,компонентов, монтируемых на поверхность. Техника повер:~Gностного монтажа лучше 'реализуется в ин­ тегрированных поточных линиях, включающих технологические модули для трафаретной печати, позиционирования компонентов, от,верждения адгезива, пайки. Это обусловлено следующими при­ чинами: • Авто!Маты-компонентоукладчики являются гибкими системами. Высоконадежные, малопроиз'водительные модули-укладчики могут работать более чем с 40 разными типами корпу1сов са­ мых сложных конструкций. Высокопроизводительные машины заряжаются лентами-носителями компонентов, имеющими · шир ину от 8 до 24 м~м. Тем самым охватывается полный диа­ пазон имеющихся корпусов, за исключением PLCC с четырех­ сторонней 'Разводкой выводов в форме крыла чайки. • Техника поверхностного монтажа разрабатывается в расчете на автоматизацию, и чем меньше будет ручного труда в тех­ нологическом процессе, тем она эффективнее. • Идентификация плат и готовых изделий полностью реализу­ ется с помощью устройств автоматического считывания штри­ хового кода, которые устанавливаются на конвейерах и под­ ключаю11ся к системе контроля за работой поточной линии. Автоматизированные системы транспортировки плат приоб­ 'рели гибкость и способны автоматически перенастраиваться с одной ширины на другую. Диапазон выбора размеров платы в 'ЭТОМ случае ограничИJвается межцентровым расстоя­ нием штырьков, фиксирующих 'плату в осна1стке оборудования, и возможностями устройств захвата монтажной головки. Стан­ дартизация местоположения направляющих отверстий платы и ее ширины в некоторой степени огра1ничивает воз1можности технологического процесса. Учет требований технологичности на этапе проектирования - один из основных р_есурсов совершенствования сборочно-монтаж­ ных операций. ИСТОЧНИКИ ПРО&ЛЕМ ОСВОЕНИЯ ТПМК ' Микрооборки с поверхностным монтажом все еще являются новыми для многих производств и бал.ее сложны для освоения, чем процессы монтажа корпусов с радиальным и аксиальным расположением выводов, а также DIР-.корпусов. Для успешного освоения ТПМК и обеспечения высокого выхода годных изделий особенно важным является овладение спецификой химико-ме­ таллуртических п,роцессов их производства. Все большее число фир~м используют опыт подрядных организаций при освоении
154 Гnава 5 ТПМК. Начиная с 1984 г. темпы роста производства компонентов и оборудования для ТПМК составляли более 15% в год, и, судя по прогнозам, такое положение сохранится до конца текущего десятилетия. Еще одним (дополнительным) подходом к освоению ТПМК является приобрет.ение лабораторного оборудования и проведение эюспериментов по иоследова1 нию новых технологиче­ ских процессов. Крупные фирмы в настоящее 'Время уже ос.воили сложные . процессы ТПМК и обладают достаточным опытом, .которым мо­ гут воспользоваться фирмы, приступающие '!'- освоению этой тех· ники. Наибол.ее часто встречающиеся проблемы приведены в табл. 5.2. ка·к :Следует из таблицы, большая часть проблем в ТПМК связана со сложным влиянием на изготавлИ'Ваемое изде­ лие электрофизических процессов в 'Сочетании с химическими. ВЫ&ОР АДГЕЗИВОВ Выбор адгезивов в ТПМК на практике более труден, чем ка­ жется на первый взгляд. Нередко бывает, что на первых порах освоения ТПМК изготовленные адгезивы удовлетворяют предъ­ являемым к ним требованиям, например имеют достаточно вы­ сокую адгезионную способность и нужные диэлектрические свой- , ства. Однако для серийного выпуска изделий эти адгез ивы ока­ зываются не пригод~ными и требуется разработка новых, более совершенных клеевых кО1мпозиций с минимальным выделением летучих ·вещест.в, хорошо совместимых с конструкционными и технологическими материалами --изделий (например, •с материа­ лом корпуса компонента, с флюсом, припоем и др.) и имеющих режимы отверждения, приемлемые в технологии поверхностного монтажа. Немаловажно также обеспечить при этом устойчивость адгезивов к деградации в условиях термоциклических воздейст- вий процесса пайки. ·· Выбор а•дгезива практически зависит от конкретного его при­ менения в изделии с поверхноатным монтажом. Вме•сте с тем надо учитывать специфические свойства адrезиво.в при обраще­ нии с ними. Так, например, адгезивы, представляющие собой од­ нокомпонентные системы , обычно содержат растворитель, просты в использовании, не требуют смешивания ингредиентов, однако часто оказываются источниками летучих веществ, и это следует учитывать. Двухкомпонентные системы имеют длительный срок хранения, но их ингредиенты должны точно дозироваться. Учитывая разнообразие материалов и их свойст.ва, можно сформулировать необходимые требования для выбора подходя­ щего адгезива. Наиболее важные свойства адгезивов рассматри­ ваются ниже. Технологичность адrезивов при нанесении. Выбор адгезива в первую очередь определяется методом его нанесения на плату
Таблица 5.2. Проблемы поверхностного монтажа и их решение Дефект Прнчнна Способ устранения Проблемы, связанные с монтажом на лицевой стороне платы Повреждение компонента Перемычки при· поя Пониженная проч­ ность паянного со­ единения Образование ша­ риков припоя Остатки ф:Люса • Избыток припайной пасты Окисление металла кон- тактной площадки - Точность позиционирова- ния ниже.допустимой (сме­ щение компонента) Ручной перенос заселенной платы Избыточная толщина слоя припайной пасты Вязкость припайной пасты не соответствует требуемой Неправильно выбран режим пайки оплавлением дози­ рованного припоя Масса припоя в месте пан­ ки ниже допустимой Обеднение припоем за счет захвата его, например, кон­ тактными площадками меж· слойных переходных отверс­ тий Плохая паяемость выводов компонента из-за некачест­ венного облуживания Плохая копланарность вы­ водов компонентов Неправильно выбран тем­ пературно-временной ре· жим пайки расплавлением дозированного припоя Уменьшить массу припой· ной пасты Улучшить процесс подготов­ ки плат Отъюстировать точность по­ зиционирования укладчика Обучить операторов Иf!И внедрить автоматизиро- ванную систему транспорти­ ровки Отъюстировать оборудова­ ние для трафаретной печа· ти Проверить состав и вяз­ кость пасты Отработать режим пайки Проверить систему для на­ несения припайной пасты Проверить правильность проектирования топологии платы Проверить систему облужи­ вания выводов компонентов Заменить компонент (при невозможности переформов­ ки выводов) Отработать режим пайки Припайная паста содержит Проверить повышенное количество ок- ной пасты сидов либо флюс не отве- состав припой- чает предъявляемым тре· бованиям Плохая очистка Проверить технологический процесс очистки и работу оборудования Чрезмерно высокая темпе- То же ратура пайки расплавлени- ем дозированного припоя в обычной атмосфере*>
Продолжение Дефект Причина Способ ус тран е ния Проблемы, связанные с монтажом на обратной стороне платы 1· 1 Выпадение по.нентов КОМ· Оrсутствие при­ поя I<ороблеиие платы Использов а ние некачествен­ ного либо с истекшим сро- ком годности адгезнва (ингредиентов адгез ива), а также недостаточн а я мас­ са адгезнва Масса адгезива намного превышает допустнмую (компонент «уплывает» с контактно й площадки) Неправильное познцнони- ров а ние Малая зона контактнрова­ ння компон е нта с платой нз-за повышенного зазора м е жду компонентом и пла­ той Несоверше нство системы транспортнровкн плат Неоптнмальиые параметры волны прнпоя (недостаточ­ ная турбулентность) Эффект затенення знакоме­ ста компонентом Плохая паяемость выводов Налнчне градиента темпе­ ратуры по поверхности платы Неправильное расположе­ ние конт а ктных площадок по поверхности платы Н е достаточная длитель­ ность предварительного на­ грева платы перед пайкой нлн перегрев платы во вре­ мя пайкн Недостаточно высокое ка­ чество изготовления платы ·~ Проверить работу устройст- · . ва для нанесения адгезнва н процесс его отверждения, Провести хнмнческнй ана· л нз ингредиентов ад ге з нва Проверить работу ющ е го устройства дознру- Проверить точность пози­ ционирования укладчнка Проверить правнльност вы б ора компонента Проверить систему авт ма ти ч еского переворачнва ння плат или ную систему Проверить BOЛHji Провернть правнльность . про е ктирования платы Проверить выводы компо­ нента Проверить параметры тех­ нологической среды Проверить правильность проектнровання топологин платы У становить жесткий конт­ роль за соблюдением ре· жимов пайкн Провести аттестацню ис­ полнителя Повреждение деформация понентов мн Перегрев компонента З а менить компонент и , работать режим пайки М а т е риал корпуса компо- от- ком- нента не совместим с мате- риалом платы "
Дефект Ошибка в выборе компонента нли ~ определеннн его по.1ярностн Особенности процессов в 1ПМК Продолжен~ Прнчииа Способ устраиения Проблемы, связанные с компонентами Неправильная перенаст- ройка оборудования Ошнбка в программе позн- цнонировання укладчика Подготовить ясные нструк­ ции по перенастройке обо­ рудования Пров.ерить программные- средства Компонент функционирует не Несоответствие компонен- Связаться с поставщнкоNo компонентов с целью нх за- та техническим условиям мены Повреждение компонента Проверить механизм пози- цноннровання · Перегрев Заменить компонент н (нлн~ Несовместимость материа- изменить режнм пайк~t ла корпуса компонента с и (нлн) метод пайкн материалом платы *) Здесь точнее было бы сказать о неправильиом температурно-временн6м режиме­ nайки (пмагая скорее иедостаточную температуру .пнбо время пайки}. - Прим. пере&. (трафаретная печать, перенос капли, дозировка шприцам). Пр ин-· · ципиальным моментом в определении пригодности выбранног() адгезива является его способность формироваться в виде капли" заполняющей самый большой встречающийся в микросборке про­ межуток между компонентом и платой и в то же время не рас.:.. текающейся из-под самых малогабаритных компонентов после­ нанесения. Без сомнения, выбранный адгезив ни при каких условиях не­ должен закупорива·ть иглу шприца (если используется этот ме­ тод нанесения). В большей степени это относится к двухкомпо­ нентным системам. Иногда .неправильное смешивание ингреди­ ентов вызывает изменение реологических свойств адгезивов. В определенных условиях могут создаваться воздушные полости внутри иглы шприца, приводящие к нарушению работы системы нанесения адгезива. Вязкость адгезивов. Адгезив должен иметь достаточно высо­ кие тиксотропные свойства. Он должен быть относительно жид­ ким для удобства нанесения из шприца при минимальном дав­ .лении и в то же время быть достаточно вязким, чтобы не выте­ кать самопроизвольно и не оставлять следа. Как указывалось. ранее, капля адгезива должна сохранять заданную высоту без. растекания или миграции .в соседнюю зону платы, а также иметь. достаточный размер для надежного удерживания компонента до. отверждения клеевого соединения, по меньшей мере хотя бы н&
t58 Гnввв 5 · период транспортировки платы в установку ртверждения адге­ :зива. Время отверждения адrезива . Условия и механизм отвержде­ l!ия одно- и двухкомпонентных систем существ е нно различаются . .Авторам не из.вестны однокомпонентные адгезивы низкот е мпе­ ратурного отверждения, т. е. отверждающиеся при температуре :менее +125 °С. Ясно, что такие адг ез ивы, как правило, во время хранения должны какиJМ -то образом охлаждаться. Двухко м по- . 11ентные системы обычно отверждаются при более низ ких тем- . · пературах, что менее опасно для монтируемого изделия с точки зрения повреждений материалов платы и компонентов. Процесс отверждения может иметь длительность до 10 мин (обычно 3- ..5 мин) при температуре 80-150 °С. Достаточно малое время термообработки изделия позво J1яет организовать поточный про- . цесс произ водства. Хотя температура при пайке намного выше, чем при отв ерждении клеев, воздействие ее на из делие кратко- . :временно (секунды) и не приводит к серьезным последствиям. Для сокращения времени отверждения в некоторых случаях можно использовать обработку адге з ива ультрафиолетовым (УФ) излучением или сочетать обычный нагрев с УФ-излучением. Од­ нако отверждение с применением УФ-излучения при наличии на : плате крупногабаритных компонентов нево з можно, поскольку 'Такие компоненты загораживают капли адгезива от попадания на них излучения. Единственной альтернативой этому является, по всей вероятности, использование нагрева инфракрасным излу- 41ением. Усадка и выделение летучих веществ. Эти процессы могут протекать во время отверждения либо, в отдельных случаях, при пайке. Применение современных адгезивов при оптимизации ре­ ЖИJмов их отверждения позволяет уменьшать вероятность этих явлений. В частности, выделение летучих веществ может проис­ ходить во в ремя пайки, если режим предшест в овавшего отв ер­ ждения адгезива был выбра·н н е пра .вильно. Важно не допустить большой усадки адгезива при отв е рждении и иметь в .виду, что даже малая усадка может вызвать значительные механические .деформации компонента или платы. Этого также можно и з бе­ жать, оптимиз ируя режим отверждения. Свойства адгезива после отверждения. Режим отверждения материала адгезива должен обеспечивать неповреждаемость за­ полненных компонента м и плат во время их транспортировки при монтаже. Материалы, режимы пайки и последующей очистки изделий с поверхностным .монтажом н-е должны отрицательно влиять на прочн·ость сцепления адгезива с материалами платы и затруднять или исключать ·ремонт изделий. После пайки дол-
Особенности процессов в ТПМК t5t rовременная механическая прочность соединения компонент а с платой должна о.беспечи.ваться в основном за счет пайки, а не приклеивания. В отдельных случаях допустимо использование адгезивов с малым временем жизни (быстросхватывающихся). адгезионная способность которых заметно ухудшается после пай­ ки изделий. Однако в ответственных случаях этого следует из­ бегать, поскольку любая непредвиденная задержка в технологи­ ческом цикле потребует дополнительной очистки платы и повтор­ ного формирования адгезионного соединения на плате. ПОДГОТОВКА КОМПОНЕНТОВ И ПЛАТЫ . В принципе выводы всех корпусов компонентов перед уста­ новкой на плату рекомендуется облуживать. Это улучшает паяе­ мость соединений и повышает электрические и ~механические ха­ рактеристики изделий. Как правило, все корпуса типа PLCC, SO, а также чип-резисторы и чип-конденсаторы поставляются уже облуженными. С безвьrводными компонентами, такими как LCCC. положение иное из-за возможности выщелачивания золота при­ поем ·С контактных площадок корпуса, а также образования со временем разрушающих интерметаллических соединений в местах пайки. Если компоненты поставляются с необлуженными выво­ да1ми, лужение выполняет потребитель компонента либо исполь­ зуется другой метод контактирования компонента с платой, на­ пример с применением контактных панелек. При выполнении лужения выводов корпуса ком.понент предварительно разогрева­ ется для уменьшения теплового удара и затем окунается в ванну с расплавленным припоем (при температуре около 200 °С). После этого компонент охлаждается, а остатки флюса удаляются. Этот­ процесс в настоящее время может быть автоматизирован при большом объеме производства. · Один из способов облуживания состоит в смачивании выводов компонента шариками припоя. Можно облуживать выводы так­ же с применением системы STAT (solder transfer application technique- тex·никa дозированного переноса припоя), которая я·вляется разновидностью метода нанесения припайной пасты трафаретной печатью с той разницей, что в методе STAT припай­ ный материал (обычно припайная паста) наносится на неметал­ лизированную (не рабочую) плату как с использованием маски (от растекания припоя), так и без нее (обычный перенос), а вы­ воды компонентов, подлежащих лужению, устанавливаются на эту пасту. Затем компоненты на плате подвергаются ·пайке рас-· плавлением дозированного припоя, в ходе которой их выводы облуживаются и достаточно легко отделяются_ от платы после лужения. Это дает несколько преимуществ, основное из которых состо" ит в том, что увеличивается захват припоя выводами компонеи-
160 rna" 5 та (по сравнению с обычным процессом пайки таким же мето­ дом) и тем са~мым увеличивается зона контактирования при дальнейшей пайке компонентов на рабочей плате. Возможно также предварительное обл1уживание ком.понентов :параллельно с {jблуживанием металлизации платы. При этом flаносят флюс и выполняют его просушку перед расплавлением дозированного припоя. Для некоторых изготовителей аппаратуры это может оказаться сложным, но опыт показывает, что предва­ рительное облуживание облегчает прецизионное раз~мещение компонентов на плате. Кроме того, благодаря этому облегчает­ ея визуальный осмотр мест для проектируемых соединений ком­ :понент.ов с платой (напри.мер, при оценке К~'Чества смачивания припоем мест контактирования пайки). После пайки оплавлени­ -ем - дозированного припоя эти места могут оказаться закрытыми .для .визуального контроля корпусом компонента. Избыточный .припой на выводах компонентов ,после предварительного их об­ .луживания несколько приподнимает корпус компонента над по­ верхностью платы и тем самым облегчает очистку заселенной компонентами платы после пай.кн в потоке растворителя. Инте­ ресен и, в принципе, реализуем процесс бесфлюсовой пайки, ко- 1'орый изредка исполызуется при оплавлении припоя в парога­ зовой фазе. Однако редко удается в этом случае получать каче­ ственные паяные соединения, не содержащие В'ключений, напри­ :мер в :виде окислов паяемых материалов. Для .создания н·адежных лаяны_х соединений необходима ка­ чественная очистка плат или подложек. На практике плату обыч­ но очищают в обезжиривающих растворителях. Очень тон.кий слой поверхностньrх оксидов и другllх загрязнений на плате лег­ ко удаляется с помощью стандартного промышленного раство­ ,рителя, например 1.1.1-трихлорэтана. Более толстые слои окси­ дов изготовители, например фир.м.а TI, рекомендуют удалять по­ следующим погружением в специальный флюс, представляющий собой раствор органических кислот, напри.мер паrrентованный --состав Аль·фа 850. С увеличением толщины оксидов .возрастает время очистки плат. Остатки используемых растворов и продук- '- ты реакций смываются в потоке деионизированной воды, после чего изделие просушивается по возможности с использованием -сжатого осушенного азота. В отдельных случаях, когда имеются ·более сложные по составу, чем оксиды, загрязнения, рекоменду­ ется использовать легкое протравливание (просветление) мед­ ных коммутирующих участка.в в слабом растворе хлорного же­ .леза (например, патентованное средство Surclean 91) в течение 15 с. Эта операция требует большой осторожности, поскольку :медные контактные площадки могут оказать.ся частично или полностью стравленными, что .приведет к окончательному браку платы. :.i ·· 1·1 - .
Глава 6 ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ СБОРКИ и МОНТАЖА в тпмк· Характерное для·переходного этапа в освоеннн ТПМК: большое разнообра­ зие конструкций корпусов поверхностного монтажа н мелкосерийных мнкросбо­ рок с большой долей компонентов, монтируемых на поверхность платы, при­ вело к разработке исключительно гибкого оборудования. На фоне этого японские спецналнсты непрерывно повышали пронзводнтельность сво11х авто­ матов-укладчиков, для которых пронзводнтельность свыше 12 ООО компонентов в час ныие стала нормой. Еще одннм не менее важным достнженнем ТПМI( является переход к серийному монтажу корпусов тнпа SO н PLCC. Были раз­ работаны высокоточные автоматы-укладчики н системы технического зрения для контроля правнльностн познцноннрования компонентов на контактных площадках платы. ' Прн разработке сборочно-монтажного оборудования важно учитывать фор­ му поставки компонентов. Несмотря на ощущаемый недостаток стандартнза­ цнн носителей компонентов, нзготовнтелн автоматов-укладчиков прннялн в ка­ ~естве фактически стандартных лента-носители шириной 8, 12, 16 и 24 мм. Основные тенденции современного развития конструирования и производства электронных устройств оказывают влияние на разработку последнего поколения автоматизированного сбороч­ но-монтажноrо оборудования: 8 Повышение гибкости а.втоматизированного оборудования озна­ чает сокращение времени его непрерывной работы и сокраще­ ние объемов партий изделий. Ур_овень гибкости оборудования характеризуется количеством одновременно работающих мон­ тажных головок и номенклатурой ·монтируемых компонентов. 8 Высокий выход годных изделий обеспечивается оборудовани­ ем с повышенными технологическими характеристиками; так, например, уровень дефектности сборок, соответствующий (100-1 ООО) · 1о-6, обеспечивается широким использованием программ управления процесоом сборки, позволяющих уклад­ чику осуществлять выбор требуемого ком,понент.а и замену дефектного с использованием встроенной системы машинного зрения. 8 Проектирование прецизионных технологических процессов с повышенным уровнем автоматизации сборочного оборудования для сложных изделий с высокой плотностью монтажа стиму­ лирует разработки интегрированных сборочно-монтажных ,ком­ плексов. 8 Широкое использование сложных корпусов компонентов [с ша­ гом выводов 0,050 и 0,025 дюйма (1,27 и 0,635 мм)] требует высокопрецизионных роботизированных установок с ,неболь­ шой производительностью или автоматов индивидуального обслуживания. 11-1533 161
162 Роботы (26°/.) rnaвa 6 Автоматы­ укnадчики (32%) Укnадчики традиционных компонентов (42'7.) Рис. 6.1 . Доля автоматов-укладчиков компонентов для ТПМК: на рынке сбо­ рочно-монтажного оборудования США в 1986 r. (Источник: сЕжеrоддый отчет о рынках автоматов-укладчиков:. фирмы Ceeris, 1987 г.). Эти соображения оказывают существенное влияние на выбор оборудования для ТПМК и, соот.ветств~нно, на рынок сбыта обо­ рудования, как показано на рис. 6.1. Доля оборудования, прихо­ дящаяся на укладЧ'ики традиционных .компонентов, постепенно падает, в то время как су1ммарная доля укладчиков компонентов, для поверхно.с'Гного монтажа и роботизированных комп.пексов возрастает. В 1986 г. эта доля со·ставила более половины в.сего объема продажи оборудования. Быстрорастущий спрос на уклад­ чики компонентов для ТПМК привлек большое число поставщи­ ков, которые используют в своей практике разные подходы к это­ :му вопросу. • Хорошо из·вестные поставщики автоматов-укладчиков (тради­ ционных компонентов) дополнили ·имеющиеся поточные qро­ изводственные линии средсrвами для поверхностного монтажа к·омпонентов. Производителыность этого оборудования колеб­ лется от средней до высокой, что обычно достаточно при про­ изводстве средних и больших объемов продукции. Японские поставщики оборудования лидируют в производстве сборочно­ монтажных ~модулей для монтажа чип-компонентов, посколь­ ку они, за исключением фирмы Fuji, разрабатывали авои уста­ новки в конце 70-х гг. для внутрифирменного .применения (на­ пример, Panasonic-Matsushita, Sony, Sanyo, ТДК). Сложные компоненты для ТПМК (SOIC и кристаллоносители) монти­ руются на оборудовании, ориентироваююм на сборку ИС.
О&орудованне дn• с&оркн н монтажа в ТПМК 183 В разработках и производстве этого оборудования лидируют фирмы США (например, Amistar, DynaPert и Universal In- struments). Недавно четыре ведущие японские фирмы-изго- 1'Овители оборудования предложили новые высокопрецизион­ ные автоматы индивидуального обслуживания с низкой про­ из,водительностью для монтажа кОJмпонентов в корпусе PLCC с шагом выводов 0,020 дюйма (0,508 мм). • Для обеспечения освоения ТПМК поставщики компонентов в Европе (например, фирмы Philips и Siemens) 1сами разрабо­ ·тали установки позиционирования, аналогичные разработки были осуществлены и в Японии. Поскольку ведущие японские фирмы-производители электронной продукции работают по принципу вертикальной интеграции, поставщики оборудова­ ния, указанные в предыдущем абзаце, связаны с поставщиками компонентов. • Большое число новых фирм-поставщиков предлагают сбороч­ ные установки, которые традиционно называют ~машинами «на­ чального уровня» (например, Excellon, Celmacs и Quad). Эти установки, обладающие невысокой производительностью, впол­ не пригодны для проведения ЭКiспериментов, а также позицио­ нирова,ния компонентов на поверхность плат .в мелкосерийном производст,ве изделий. Изготовители оборудования уделяют большое внимание изу­ чению корпусов компонентов для ТПМК, поскольку такие карпу­ .са разрабатываются специально для автоматического монтажа. Объем сборочного оборудования на американском рынке увели­ чивается ·со скоростью 10-20 % в год. Даже если объем поставок корпу,сов для ТПМК соста.вит к 1990 г. всего лишь 25% от объема · корпусированнюх ко~мпонентов, поставляемых на рынок, это от­ кроет широкие перспективы для фирм-изготовителей. Прогнози­ рование перспектив развития технологии изготовления микро­ электронной аппаратуры, ,проведенное с помощью ЭВМ, показы­ вает, что самыми распространенными корпусами для элементной базы к концу текущего десятилетия в США все еще будут оста­ ваться корпуса с аксиальными выводами и типа DIP (Отчет фирмы Ceeris «Рынки сборочного и контрольно-испытательного оборудования», журнал AIM, 1986, No 2). Из-за недостаточной стандартизации корпусов (их размеров, формы, шага выводов, знакОJмест) в значительной степени услож­ няется выбор и оценка эффективности технологического оборудо­ вания для ТПМК. Раз,нообразие корпусов затрудняет .разработ­ ки оборудования (питающих механизмов, монтажных голова.к и др.) и снижает точность систем в целом. Становится очевидным, что технику традиционного монтажа сменит ТПМК. В технике традиционного монтажа распростране­ ние получили 3 основных разновидности конструкций корпусов, 11*
114 rna•• 6 отличающихсSI шагом выводов (и числом .выводов в случае DIР­ корпусов). Аналогичное разнообразие корпусов существует и в ТПМК, но из-за ·малых объемов выпуска большой номенклатуры микросборок в соответствии с современным спросом изготовnте­ ли оборудования вынуждены поставлять самые разнообразные наборы производственных модулей сборки и монтажа компонен­ тов ·на поверхность КП. Для установ.ки .прямоугольных чипов, SOT, SOIC и кристаллоносителей выпускается еесколько моде­ лей сборочных модулей. Гибкие перенастраиваемые автоматы-укладчики компонентов для ТПМК в числе таких модулей .можно счи·тать модификация­ ми оборудования для сборки сложных корпусов традиционных компонентов. Для оценки потенциа}lьных возможностей автоматов-у.клад- чиков компонентов в ТПМК были выбраны следующие критерии: J • Сложность конструкции корпуса компонента. • Метод позиционирования. • Производи.тельность. • Уровень гибкости. • Наличие интегрированных ~;~стро~нных систем контроля ка­ чества. СРАВНЕНИЕ ПРОСТЫХ И СЛОЖНЫХ КОРПУСОВ ДЛЯ ТПМК Имеется шесть основных типов корпусов для ТПМК: • Прямоугольные чипы. • Цилиндрические чипы. 8 SOT. 8 SOIC. • Кристаллоносители с выводами (PLCC). • Безвыводные кристаллоносители. Эти типы корпусов можно разделить на две категории: про­ стые (прямоугольные и цилиндрические чипы, а также SOT) и сложные (SOIC и кристаллоносители, безвыводные и с вьrвGда­ ми). Для сборки простых и сложных корпусов не могут быть использованы одни и те же автоматы-укладчики, даже если они обладают .высокой степенью гибкости. Различие оборудования в данном случае определяется максимальной точностью позицио­ нирования, которую эти автоматы могут обеспечить. Позициони­ рование сложных корпусов компонентов для ТПМК требует вы­ сокой точности: фирма Hewlett Packard использует автоиаты­ укладчики для размещения и позиционирования кристаллоноси­ телей с L-образными выводами с точностью. ±0,006 дюйма (0,1524 мм). А с использованием ~модели МРА (фирма Panaso- пic) удается осуществлять позици<:Jниро.вание сложных корпусов
Оборудование дn• сборки и монтажа в ТПМК 165 с точностью ±0,002 дюйма (0,0508 мм). Для обеспечения высо­ кой точности позиционирования компонентов сборочные автома­ ты необходимо оснащать системами технического зрения. Поэто­ му точное позиционирование сложных корпусов, как правило, вьrполняется медленнее, чем простых. · С целью повышения точности позиционирования перед уста­ новкой компонента на поверхность платы производят его цен-_ травку*> Существуют три метода центровки при вакуумном схва­ те (присосе) 'компонентов. В первом используются четыре меха­ нических центрирующих захватывающих щупа, работающих во ;время .переноса компонента. Они центрируют компонент и рас­ крываются непосредст.венно при позиционировании. Недостаток этого метода састоит в том, что каждая сторона компонента тре­ бует собственного захватывающего щупа. Второй метод центри­ рован_ия предполагает использование дополнительных центриру­ ющих щупов-захватов, не входящих в состав монтажной головки. Сначала с помощью монтажной головки компонент устанавли­ вается на центрирующее приспособление для выра,внивания его положения относительно заданного; затем компонент снова за- _ хватывается и размещается на КП. Недостаток этого метода заключается в том, что при его реализации требуеtся .повторная операция захвата-отпускания ко·мпонента. Самые прогрессивные автоматы-укладчики (например, СР 11 производства фирмы Fuji) не требуют применения центровки. В этом случае система техни­ ческого зрения осуществляет ·контроль размещения корпуса под вакуу~мным захватом и ~ор-ректирует место положения монтаж­ ной головки о_тносительно расположения знакоместа на комму­ тационной плате. Механические центрирующие щупы заменены встроенной .видеокамерой и компьютером. Этот метод не имеет явных недостатков и, как ожидается по прогнозам, он станет ca- MЬIIM распространенным в ближайшем будущем. Для простых и сложных корпусов .в ТПМК применяют пита­ тели различной конструкции (табл. 6.1), хотя на практике наи­ большее распространение получают ленты - носители компонен­ тов:· В большинстве случаев в укладчиках простых компонентов для ТПМК применяются питатели, рассчитанные на ленты ши­ риной8и12мм. В высокопроизводительных автоматах для поверхностной сборки сложных компонентов применяют ленты шириной 16 и 24 мм (рассчитанные на корпуса типа SOIC и PLCC с J-образ­ ными выводами). В настоящее время по сравнению с 1986 г. гиб­ кость оборудования значител_ьно возросла. *> Определение номинального положения компонента на плате относитель­ но ориентирующих меток. - Прим. перее.
$7 Таблица 6.1. Формы ПОСТi1ВОК носителей компонентов для ТПМК Тип корпуса компонента (размеры в мм) Цилиндриqеский чип: 1, 25-1,6 (диаметр) 2,2 (диаметр) Плоский qип: 1 ,6ХО,8 Прямоугольный '!ип: 2Xl,25; 3,2Xl,6 Индуктивность 3,2Х2,5Х2,2; , 4,5X3,IX(l,l-2,2) Танталовы е к онденс аторы: з.8Х 1,9Х 1,6; В,С,D Подстроеqн ы е кон де н сат оры: 4,5Х4,ОХ2,О Алюминиевый электролити'!еский кон­ денсатор: 4,ЗХ 4,ЗХ6,О Керметовый подстрое'!ный потенцио­ м етр: 4,5ХЗ,8Х2,4 ПленО'IНЫЙ конденсатор: 7,5Х5 ,ЗХ3,25 SOT-23 SOT-89 SOIC : 6-10 выводов 6-16 выв одов 18-28 выводов 6-28 выводов PLCC (с J-образными выводами): 20-28 выводов 44-52 вывода 44-84 вывода LCC PLCC (с L-образными выводами) и кор ' пуса с 4-сторонней разводкой выводов *) Максимум 30 мм илн 1,25 дюйма. Бумажная леютаt мм 8132 • • • • • а'" ri'Ttгtтч1Г'УГ7т"55т' щ" Блистер-лента, мм 8112116124132/44 • • • • • • • • • • • • • • • • • • • - 1 ;, nn· 't;.; Магазин'- шиюа о • ." •• •• Я:чеистыll магазин • Россыпью • • • • • .it.1'С'' ., ,
Оборудоввнне дn• с&оркн н монтвжа в ТПМК 167 СПОСО&Ы ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ В технике поверхностного монтажа компонентов р-азличают четыре способа позиционирования компонентов: • Конвейерное*> позиционирование. Плата движется по ·конвейе­ ру вдоль нескольких модулей позиционирования. Каждый мо­ дуль осуществляет размещение одного типа кор·пусов. Приме­ ром типичного модуля является модуль 4651А фирмы Univer- sal в составе поточной линии Rhymas. · • Последовательное единичное либо групповое позиционирова­ ние. Одна или две управляемые от ЭВМ монтажные головки выбирают компоненты из питателей и устанавливают их на плате. В некоторых автО1матах подвижная головка перемеща­ ется в двух направлениях (Х и У), в то время как в других автоматах ,под неподвижную головку подводится подвижный стол для позиционирования компонентов. Этот способ пози­ ционирования в на.стоящее время используется наиболее ча­ сто. Примерами являются установки MPS-500 фирмы DynaPert и МС-30 фирмы Excellon. • Последовательно-параллельное**> позиционирование. В этом случае автоматы имеют координатный столик и последователь­ но раоположенные монтажные многозахватные головки. Мон­ тажные головки расположены на центральной поворотной (ба­ шенной) головке. Каждая монтажная головка захватывает требуемый ко~мпонент из питателя и размещает его на плате. Типичными примерами служат установки RX-4060 фирмы TDK, SM-1000 фирмы Amistar, СР 11 фирмы Fuji и МК фирмы Pa- nasonic. • Массовое позиционирование:***> многоза-хватные головки за один прием устанавливают на плату большой набор ком.понен­ то.в. За одну ,операцию ими за·селяется часть или вся плата. Примерами подобных автоматов могут служить установки се­ рии МСМ фирмы Philips и модели MELF фирмы Sony. Метод массового размещения более всего применим к очень высоким объемам выпускаемой продукции с низкой степенью смешанности компонентов для различных типов монтажа. Авто­ маты-укладчики, использующие метод ,последовательного груп­ пового размещения, могут обеспечить высокий уровень гибкости *> Более точным представляется термин «поточно-последовательное пози­ ционирование». - Прим. перев. **> Последовательно-параллельное позиционирование называют еще син­ хроиио-последовательиым, поскольку оно осуществляется в несколько приемов, причем за один прием устанавливается сразу несколько компонентов в корпу­ сах различной сложности. - Прим. перев. ***> Более точным представляется термин «поточно-параллельное пози­ ционирование». - Прим. перев.
188 r.... " 6 производства, но с более низкой скоростью позиционирования. Они применяются в случае низкого или среднего объема произ- 1водства изделий с высокой степенью смешанности монтажа. По­ следовательно-параллельные автоматы наилучшим образом при­ способлены для средних и высоких объемов работ при низкой степени смешанности !Монтажа. В некоторых автоматах предусмотрена возмож'Н'ОСТЬ смены монтажных голово:к и захватов. Это увеличивает гибкость про­ изводственных линий, хотя и снижает производительность. СИСТЕМЫ ПОДАЧИ КОМПОНЕНТОВ При разра.ботке автоматов-укладчиков используют принцип произвольного доступа, заключающийся ·В том, что компонент выбирается из питателя непосредственно перед позиционирова­ нием. Поэтому функциональные возможности автоматов не свя­ заны с ограничениями последовательности выбора КО1мпонентов во в рем.ени. Существует .несколько споообов подачи компонента в мон­ тажную головку: • Ком ·понент переносится из питателя на место установки с по­ мощью поворотной башенной головки (модель Onserter фир­ мы Universal). • Монтажная головка сама выполняет ·операцию транспортиров­ ки компонента из питателя. Она захватывает компонент не­ посредственно из питателя и размещает его на плате (напри­ мер, ~модель МС-30 фирмы Excellon, RX-1 и RX-4 фирмы TDK и большинство роботизированных ячеек производственных мо­ дулей). • Питатели уста·навливаются на каретку, управляемую ЭВМ, к;оторая в нужный момент подает на сборку требуемый компо­ нент (например, модель MPS-500 фирмы DynaPert и ML фир­ мы Panasonic). От метода пода'!и компонентов зависит конструкция питаю­ щих механиз.мов. Применение поворотных башенных головок и подвижных кареток ограничено конструкцией и типоразмерами корпусов, поставляемых на лентах-носителях. Именно питатели этого типа позв·оляют производить высокоскоростную сборку. Автоматы, рассчитанные на совместную работу с такими систе­ мами питания, как · ленты-носители компонентов, магазины­ шины и ячеистые магазины, производят захват каждого компо­ нента отдельно и поэтО1му имеют низкую производительность, вместе с тем они обладают большой гибкостью применительно к разным типам конструкций компонентов.
О&орудоввнне дn• с&оркн н монтвжв в ТПМК 189 ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ Производительность автоматов-укладчиков компонентов в ТПМК коле'блется в диапазоне примерно от 500 до более чем 100 ООО компонеН'ГОВ в час. Несом·ненно, такие автоматы сильно отличаются друг от друга по с.воей гибкости, метода,м позициони­ рования и уровню конструктивной сложности. По своей произво­ дительности автоматы-укладчики компонентов в ТПМК подраз­ деляются на· четыре группы, каждая из которых соответствует­ конкретным условиям применения: • Автоматы с малой производительностью: менее 4000 компо­ нентов в ча.с. Предназначены для выпуска небольших партий изделий в научно-исследовательских лабораториях или опыт­ ных партий на этапе освоения техники поверхностного монта­ жа. Их конст.рукция разрабатывается с учетом удобства ра­ боты в период обучения специалистов. Сюда также входят ;высокопрецизионные автоматы для позиционированпя PLCC. • Автоматы со средней производительностью: 4000-6000 ком­ понентов в час. Большая часть этих машин обладает способ­ ностью к гиiбкой перенастройке. • Высок;опроизводительные автоматы: 9000-20 ООО компонен­ тов в час. Предназначены для позиционирования чип-компо­ нентов в прямоугольном корпусе или в корпусе типа MELF, ·а также ,компонентов в ,корпусе типа SOT. Новейшие автоматы японского производства могут также устанавливать корпуса SOIC и PLCC с J-образными вы.водами (поставляемые на ленте шириной 16, 24, 32/44 м1м). • Автоматы для массового производства: более 100 ООО компо­ нентов в час. Они могут устанавливать только простые чип­ компоненты. Приведенные значения производительности автоматов-уклад­ чиков заимствованы из проспектов их изготовителей. Следует учитывать, что обычно в проспектах указывают максимальную про'Изводительность в конкретных условиях применения оборудо­ вания с учетом минимального хода головки, небольшой зоны по­ зиционирования и расположения питателей ·вблизи ~монтажной головки. В табл. 6.2 указаны существующие автоматы-укладчики и их производительность. Характеристики и технические требования к такому оборудованию рассматриваются в гл. 7. ГИБКОСТЬ АВТОМАТОВ-УКЛАДЧИКОВ КОМПОНЕНТОВ для тпмк Вследствие недостаточной стандартизации корпусов компо­ нентов и типов их упаковки способность оборудования к гибкой перенастройке является ключевым критерием выбора автомата-
170 Гnава 6 Таб.qица 6.2. Производительность автоматов-укладчиков компонентов в ТПМК, принадлежащих различным фирмам Производительность, компоиеит/ч Фирма-изготовитель В составе 9000- иитеrриро- <4000 4000-6000 20 ООО >100 ООО ванной си- стемы Amistar • • • Aromat • • Celmacs • Contact Systems • DynaPert • • • ЕРЕ Techпology • Exce!Jon • Factory Automatioп • Fuji • • • ISMECA • мет • NETCO • Panasonic • • • • Philips • • Quad • • Sапуо • • Siemens • • TDK • • Uпiversal • • • • Zevatech • • Примечание. Для установки компонентов сложных конструкций в небольших объемах фирмы Adept Techпology, Intelledex и Seiko увеличивают производство роботов. укладчика. Поскольку в ТПМК компоненты предназначены для автоматизированного монтажа, в недалеком будущем должно произойти некоторое упорядочение в применении различных кон­ струкций корпусов компонентов, а также систем питателей, по­ требность в которых вызвана нуждами современного произ.вод­ ства, и это уже можно видеть на примере преимущественного использования ленты-носителя компонентов как предпочтитель­ ной упаковки компонентов для систем питания укладчиков. В табл. 6.3 перечислены критерии, используемые для опреде­ ления уровня гибкрсти процесса сборки в случае а:втономной ра­ боты различных автоматов. Производительность и уровень гиб­ кости автомата-укладчика обусловливают потенциальные воз­ можности его при~менения. Гибкость укладчика в основном опре­ деляется количеством типоразмеров корпусов (конструкций) компонентов и конструкций питателей, с которыми он в состоя­ нии работать. Повышение гибкости не обязательно снижает про­ из:водительность. Так, например, новейшие высокоскоростные ав­ томаты японского производства (производительностью более 12 ООО компонентов в час) могут позиционировать все компщ1ен-
... .. .... " Таблица 6.3. Критерии гибкости автоматов-укладчиков компонентов в ТПМК !(ритериil низкий Число типов позиционируемых Одни корпусов Тип конструкции корпусов и Простой компонентов Типы упаковки компонентов '(либо питателей) Типичное максимальное число входов для подачи компонен­ тов Особенности конструкции ячейки захвата в составе мон­ тажной головки Примеры оборудования Лента-носитель (только один номинал ширины) 40-80 Рассчитана корпуса на один Amisar SM!OOO Рапаsопiс МЕ Sanyo ТСМ-30 TDK FX-4080 Uпiversal Onserter 4712_А тип Уровень гибкости средний Два или более Простой Лента-носитель (два номина­ ла ширины или более) 60-120 Рассчитана на несколько ти­ пов корпусов, ручная замена оснастки Fuji СР-11 Panasoпic МК Sanyo ТСМ-40 TDK RX-4060 *) К:олеблется в зависимости от типов используемых питателей и их сочетания, высокий Все за один прием Сложный Все типы питателей (ленты­ носители, магазины-шины, яче­ истые магазины, вибробункеры (россыпью)) 40-50*> Универсальная конструкция, автоматическая смена оснаст­ ки, сист,ема технического зре­ ния DyпaPert MPS-500 Excellon МС-30 Fuji FHP, Panasoпic МРА Siemeпs MS-72 TDK СХ4 Universal Omпiplace 4827 А Zevatech РРМ Robots**> **> Гибкие роботизированные сборочные модули (например, производимые фирмами Chad, Adept, Seiko и !пtelledex) достигают высокого уров­ ня гибкости. Роботизнроваииые укладчики компонентов требуют более дорогой и сложной оснастки .
172 Гnава 6 Линеllна11 ~10 ошибка, r вызванная " вращением с:( 9 компонента ьС> 8 ci х "'7 " '°s 36 о "'5 "':с JS CIJ 4 х s '= "' "'х а. 2 "':Е :Е >- и 5 10 15 20 Угловое смещение, мрад Рис. 6.2 . Точность, необходимая для позиционирования выводов обычных ком­ понентов в отверстия платы [а также компонентов поверхностного монтажа с шагом выводов 0,050 дюйма (1,27 мм) и 0,025 дюйма (0,635 мм)]. В случае, если процесс позиционирования вносит нулевую угловую ошибку, допустима суммарная линейная ошибкд 0,007 дюйма (0,1778 мм) и при этом еще оказы­ вается возможной автоматическая установка 84-выводных компонентов с ша­ гом выводов 0,050 дюйма (1,27 мм). Однако добавление угловой ошибки_ может привести к выходу за пределы допуска (с разрешения Automatix Iпс.): А - 84-выводиой плоский корпус с четырехсторонней разводкой выводов и ша­ гом выводов 0,05 дюйма (1,27 мм); Б- 80-выводной плоский корпус с четырех­ сторонней разводкой выводов и шагом выводов 0,031 дюйма (0,7874 мм); В - 100-выводной плоский корпус с четырехсторонней разводкой выводов и шагом выводов 0,025 дюйма (0,635 мм). ты, поставляемые на лентах-носителях шириной 8, 12, 16 и 24 мм. Малопроизводительные укладчики, обладающие высокой гиб­ костью, могут работать со всеми форматами упаковки поставляе­ мых компонентов (лента-носитель, магазин-шина, ячеистый ма­ газин). Гибкость оборудования в этом случае связана со сле­ дующими факторами: • Ограниченным количеством входов .загружаемых компонентов различных типоразмеров, обычно менее 60 (увеличение числа типораз~меров корпусов ~омпонентов, с которыми может рабо­ тать технологическая линия, требует совместного использова­ ния нескольких сборочных модулей). • Высокоточным позиционированием с использованием системы технического зрения, рекомендуемой для установки компонен­ тов в корпусах PLCC, особенно с шагом выводов 0,025 дюйма (О,635 мм) (рис. 6.2 и табл. 6.4). • Невысокой производительностью автоматов-укладчиков, что делает их пригодными к использованию при небольших объе-
tабJ1нца 6.4 . Сравнеtrие 1ех11олог1tческнх ilotpemнocтei\ н~ pllЗJ\Иttньt:!t 9'tann tехьояоtическоrо n{loцecca (с разрешения фирмы Automatix- lnc.) Источник tюгрешнdсти Машина (уиладчик): Воспроизводимость Точность установки в позицию Погрешность оснастки Погрешность инстру- мента Ко,ммутационная плата: Изменение механиче- ских сво·йств Фотошаблон Технология формиро­ вания коммутации Остаточная . деформа­ ция Компонент: Деформация выводов прн мончаже компонентов в отверстия платы линейное сме- \ уг·ловое щенне, дюймы о.мещение, мрад ('мм) . 0,001 (0,0254) 0,005 (О, 127) 0,002 (0,0508) O,UO! (0,0,254) о002- ,, (0,0508) Данных нет » » 0,002 (О,0508) 0,004 (О, 1016) Данных пет » » 0,1-0,5 1,0 0,1-0,5 Данных нет 0,2-0,6 Данных нет 1-2 Величина погрешности нога зрения в ТПМК: с нспользованнем машин­ ного зрения в ТПМК: без применения машин-1 1~~~~~~~~~~~- лннейное сме- \ угловое щение, дюймы смещение, мрад (:мм) линейное сме­ щение. дюймы (·мм) \ угловое смещ.ение, мрад 0,001 (О,0254) 0,005 (0,127) 0,002 (0,0508) 0,001 (0,0254) Данных » О, 1-0,5 1,0 нет » 0,002 (0,0508) 0,001 (О,0254) 0,006 (О, 1524) 0,002 (0,0508) 0,1-0,55 0,2-0,6 Данных нет' 0,001-0,004 0,5-2,0 (0,0254-0, 1016) 0,001 Данных нет, (0,0254) Данных нет » » » » » » » » » » » » » » 0,001 » » (0,0254) Данных нет » » 0,002 » » (О,0508) Данных нет » » Примечание. 17 мнллираднан равны .1 градусу, Одна миллнрадиаииая ошибка прн радиусе \ дюйм (25,4 мм) равна 0,001 дюйма (0,0254 мм),
174 rnaвa 6 мах произ.водства, а также в составе двухмодульной системы. Бели такую систему дополнить высокоскоростным укладчиком компонентов, она окажется в состоянии осуществлять сборку компонентов в корпусах поверхностной установки с высокой производительностью. ТОЧНОСТЬ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ Точность позиционирования корпусов связана с влиянием на процесс позиционирования целого ряда факторов (см. табл . 6.4) и характеризуе11ся: • Допусками автом·ата-укладчика :- на ,воспроизводимость 0,001 дюйма (0,0254 ~мм); на устано&ку .компонен'Га в позицию 0,002-0,005 дюйма (0,0508-0,127 мм); на центровку корпуса 0,001 дюйма (0,0254 мм) плюс допуск на износ захватов центрирующего устройства, если не исполь­ зуется интегрированная система технического зрения, а также на местоположение пл·а-ты 0,001 дюйма (0,0254 м.м). • Допусками коммутационной платы, учитывающими: погрешности изготовления фотошаблона 0,001 дюйма (0,0254 мм); погрешности технологического процесса изготовления КП; погрешность вследствие изменения мехаюtческих свойств пла­ ты, например из-за теплового расширения или коробления плат при пайке. • Допусками, связанными с компонентами, в частности со сме­ щением выводов относительно тела .корпуса 0,001-0,004 дюй­ ма (0,0254-0,1016 м1м). Комбинация всех этих допусков мож·ет дать суммарную ошиб­ ку порядка 0,010-0,012 дюйма (0,254-0,3048 мм). Подобная точность вполне приемлема для техники .монтажа в отверстия, а также позиционирования чип-компонентов, однако недостаточ­ на для размещения корпусов типа SOIC и PLCC с ~межцентровым расстоянием между выводами 0,050 дюйма (1,27 мм) или 0,025 дюйма (0,635 мм). Кроме того, компоненты ТПМК с боль­ шим числом выводов очень чувствительны к угловым смещениям . Так, например, поворот на один градус приводит к смещению крайнего вывода 84-выводного PLCC на величину более 0,010 дюй­ ма (0,254 мм) (см. рис. 6.2). В состав механизмо:в позиционирования все более часто вклю­ чается система технического зрения, управляемая ЭВМ, особен­ но в случае сборки сложных корпусов . Простейшим применени­ ем системы теХ11ического зрения является контроль совмещения фотошаблона и платы обычно с помощью трех опорных фигур _ (меток) совмещения. Это позволяет корректир.овать местополо-
О&орудоввнне дnя сборки н монтажв в ТПМК 175 жение платы перемещением координатного столика, как, напри­ мер, в модели МК фирмы Panasonic. Наиболее совершенными системами технического зрения снабжены все укладчики фирмы Fuji, а также модели MPS 525 (DynaPert) и MPS 2500 этой же фирмы, МРА (Panasonic) и СХ4 (ТОК). Эти системы контроли­ руют знакоместо на КП и положение корпуса, находящегося на вакуумном присосе, а для· точного позиционирования .выводов компонента на контактных площадках знакоместа осуществля­ ют перемещение либо платы, либо ~монтажной головки. Для кон­ троля плат на монтажном с'Голике некоторые типы укладчиков (например, Quad) оборудуются очень простыми системами тех­ ническою зрения. Дефектные платы, обнаруженные до начала монтажа, маркируются и не заселяются компонентами. Изгото­ вители плат предлагают покупателям скидку, если последние покупают партию изделий, дополнительно включающую дефект­ ные платы, которые легко распознаются по маркировке, и это экономически оправдывается для обеих сторон. Системы ·технического зрения становятся типичной особен­ ностью автоматов-укладчиков компонентов в ТПМК. В ближай­ шем будущем такие системы найдут широкое применение для контроля нанесения припайных паст и проверки заселенных плат. ПРАКТИЧЕСКИЙ ПРИМЕР. СИСТЕМА ссТОЧНО ПО rРАФИКУ)) ПО ПРОИЗВОДСТВУ МИ'кРОСЕiОРОК С ПОВЕРХНОСТНЫМ МОНТАЖОМ КОМПОНЕНТОВ НА ФИРМЕ PНILIPS Ф:ирма ·Philips Radio Commиnication Systems, г. Кембридж, Великобритания Производство аппаратуры связи потребительского назначе­ ния будет в течение ближайшего времени, судя по прогнозам, одной из самых крупных сфер применения технологии поверх­ ностного монтажа в Европе. Поэтому нет ничего удивительного в том, что фирма Philips Radio Communication Systems Ltd (PRCS), г. Кембридж, Великобритания, является одним из круп­ нейших производителей микросборок с поверхностным монтажом компонентов. Уменьшение габаритных показателей, обеспечиваемое техни­ кой поверхностного монтажа, можно весьма наглядно продемон­ стрировать на примере одного из устр.ойст.в, выпускаемых фир­ мой Philips, а им·енно карманной радиосис'Гемы поискового вы­ зова. В сочетании с современными заказными аналоговыми интегральными схемами ТПМК позволила уменьшить такой при­ емник до размеров менее зажигалки для сигарет. Всего лишь несколько лет назад полностью транзисторный вариант подоб­ ного ус'Гройства ~мел габариты походной фляжки, для которой требуется сравнительно большой .карман (рис. 6.3). Однако производство .карманных радиоустройств в ТПМК является довольно сложным процессом, поскольку сами изде-
Рис, 6.3 . Карманные радиосистемы поискового вызова (самая мнннатюрна.ц · J1$rотопщ~на с 1Jсnользщ1аннем ТПМК), ,..".;~~ -"~, -­ ·, -_ -_ 'i '."J --.. -/',
Оборудование дnя сборки и монтажа в ТПМК 177 Рис. 6.4 . Ви3уальный контроль плат на фирме PRCS. лия имеют специфические особенности. Во-первых, они обяза­ тельно включают заказные аналоговые схемы с диапазоном частот, соответствующим рабочей полосе частот приемника. Во-вторых, они должны регую1роваться, настраиваться и испы­ тываться после сборки (рис. 6.4 и 6.5). Фирма полностью приняла идеологию системы «точно по гра­ фику» для изготовления микросборок с поверхностным монтажом . и в соответствии с потребностями заказчиков выпускает радио­ .системы, включающие до 28 различных микросборок. Номенкла- 12-1533
t78 Глава 6 ;Рис. 6.5. Испытания и калибровка буквенно--цифровых приемников поискового вызова. --гура выпускаемых изделий включает множество ·разновидностей радио с истем: от передвижных радиостанций, таких как М294Е (около 200 изделий в неделю), до приемников поискового вызо­ ва (миниатюрных PG32 и более крупных цифровых и буквенно- цифровых PG32N и PG32A соответственно). Около 100 ООО таких приемников было изготовлено в 1986 г. (первом году выпуска). >Основным звеном производственной линии для выпуска этих из­ _делий являются укладчики компонентов. Фирма имеет в настоя­ щее время четыре укладчика: два из них модели MPS 500 (Dy- naPert), работающие в ручно.м режиме, и две модели собствен­ ного и з готовления, работающие в автоматическом режиме. Такой состав укладчика.в достаточен для поддержания сред­ них объемов производства, однако более важно то, что при этом · ,, •Обеспечивается гибкость, которая требуется в условиях посто­ янно меняющейся номен1<латуры изделий. Высокопрои з водитель­ ные укладчики, подобные тем, что изготавливает головная фирма компании Philips, экономически оправдывают себя только в слу­ чае массового производства и требуют значительного времени на перенастройку. Одна ко даже при средних объем ах производства потребление -r.~онтируемых на поверхность плат компонентов для технологи­ ческой Л.!шии в Кембридже довольно велико: общее количество·
О&орудоввние для сборки и монтажа в ТПМК 179' составило 10 млн шт. в 1987 г" а в 1990 г., когда на поток будут поставлены новые изделия, а старые будут модернизированы с учетом использования ТПМК, составит, по прогнозам, 62 млн. штук. Четыре автомата-укладчика выполняют позиционирование большей части компонентов, однако для размещения ИС с боль­ шим числом выводов (64 и 80) используется робот IВМ 7545. Нанесение припайной пасты производится с помощью уста­ новки для трафаретной печати DEK 245, обеспечивающей точ­ ность совмещения +0,004 дюйма (О,1016 1мм). Пайка расплавле­ нием дозированного припоя осуществляется в парогазовой среде. Этот метод пайки был выбран из-за своей относительно высокой освоенности три года назад, когда планировалось создание тех- . ноло гиче ской линии по производству изделий с поверхностным монтажом, однако компания предполагает перейти на более со­ вершенный метод пайки с ИК-нагревом. Хотя варианты освоен­ ных методов пайки расплавлением дозированного припоя срав­ нимы с точки зрения качества паяных соединений, инженеры фирмы PRCS придерживаются ~мнения, что пайка с ИК-нагре­ вом не требует затрат на материалы технологической среды (ко­ торые очень высоки .в случае пайки расплавлением припоя в парогазовой среде) и, вероятно, наиболее пригодна для поточно­ го производства изделий, которое будет налажено на фирме. . Линия имеет небольшой участок исправления брака, на ко­ тором работают два оператора. При этом демонтаж неисправно­ го компонента производится с помощью струи горячего азота, а сам участок оборудован с учетом средств защиты рабочих мест от статического электричества. Жесткий контроль качества вы­ полнения ~монтажа позволил обеспечить очень низкую частоту появления дефектов: суммарная частота появления дефектов свя­ зана большей частью с отказами компонентов и составляет ОКО" ло 100· l0-6 ,но если учитывать дефекты, вызванные только пай­ кой, этот показатель снизится примерно до 35· 10-6 • Кроме средств контроля другие методы для снижения частоты появления дефектов обычно не применяются. В редких случаях прибегают к ультразвуковой очистке готовых плат, например ког­ да на них монтируют позолоченные соединители. В качестве ма­ териала основания платы чаще всего выбирается стандартный стеклоэпоксид марки FR-4 . Исключение составляют платы из тефлона, армированного стеклом (стеклотефлона) для нового из­ делия, намечаемого к выпуску. Фактически изделия на этапе их изготовления являются частью интегрированной производствен­ ной системы. Каждый отдельный приемник поискового вызова маркируется штриховым кодом, после регулировки приемнику определяется индивидуальный диапазон частот и присваивается вызывной адрес. Такие приемники работают в диапазоне частот от 138 до 174 МГц. 12•
180 rnавв 6 Для сборочно-монтажной технологической линии в производ­ .стве изделий с поверхностным монтажом компоненты поставля-­ ются по системе «точно по графику»*>. Поставки партий компо­ нентов планируются точно во времени и с учетом их конкретного :Исполь з ования в прои з водственной линии для изrотовления ре­ альных устройств с параметрами, соответствующими требовани­ ям зака з чш<ов. Такую систему планирования компания PRCS применяет ко ·всем произ водствам своих фирм, находящихся в Кембридже, .причем системой предусматриваются не тощ,ко поставки компо­ нентов для изделий с поверхностным монтажом, но и для изде­ лий с традиционным монтажом и даже поставки всех комплекту­ ющих деталей и узлов (например, электромеханических) для ..изгот авлив аемых и зделий. В условиях новой системы .планиро­ вания работа фирмы поначалу была настолько напряженной, что для подготовки детального проекта перехода к гибкой системе nроизвод с тва была приглашена группа консультантов по вопро­ сам управления из компании Handley Walker. Необходимость введения гибкой системы сборки изделий стала очевидной не только в последнее время, в чем можно убед иться на примере nортативных радиосистем PFX различных модификаций . Коли­ честно т а ких изделий, поступивших в эксплуатацию, уже достиг­ ло 18 ООО. Был проведен полный анализ возможностей системы «точно по графику» для прои з водства данного изделия и о результатах доложено руководству компании . Как пока зал анализ, процесс изготовления изделия, представляющего собой сбор ку из шести смонтированных плат, включает не менее 75% однотипных (ти­ повых) сборочных операций, выполняемых для каждой и з плат .. Прежде всего важно было эффективно реализовать выполне­ ние этих 75% сборочных операций одновременно для всех плат, учитывая при этом условия системы «Точно по графику» как применительно к сборке плат, так и к сборке конструктивов более высокого иерархического уровня. С уменьшением объемов рабо­ чих партий изделий (с 50 до 1 и з делия) время выполнения тех­ нологических процессов сборки уменьшилось на 96%, а по.11ное время на производство - на 80 %. За счет исключения складских по~1ещений прои з водственные площади под новые технологиче­ ские линпи были сокращены на 30%. Консультанты также сооб­ щили, что удовлетворение от ра·боты у рабочих, обслуживающих линию, значительно возросло с введением системы «точно по rрафику». * > Снстема « точно п о графику~ включает планирование и организацию поставок комп л ектующих изделий, узлов, деталей и т. д . по строго разрабо­ танному графику в соответствии с нуждами производства. При этом обеспечи­ вается ритм11ч1юсть производства (отсутствие простоев оборудования), а также исключается или сводится к минимуму складское хозяйс rво. - Прим . перев, 1
Оборудование для сборки н монтажа в ТПМК 181 Первый этап внедрения системы «точно по графику» совпал с внедрением гибкой системы сборки стоимостью около 2,5 млн. фунтов стерлингов, которая воплотила в себе новейшие дости­ жения разработок технологического оборудования. Вместе с тем, консультанты отметили, что значительное повышение эффектив­ ности производства можно было бы достигнуть и при меньших затратах. Для производства портативных радиосистем были построены три линии сборки: одна - для сборки и испытаний всех плат, входящих в состав устройств модели PFX и, PF85, две другие - для финишной сборки и испытаний. Две последние линии рас­ считаны на сборку всех моделей радиосистемы. Как и при раз­ работке приемника поискового вызова, здесь широко применяет­ ся штриховое кодирование; не заселенные компонентами платы подвергаются испытаниям и маркируются штриховым кодом. Код обеспечивает точную сопроводительную информацию о каждой плате. На определенных участках производственной линии ко.:~. считывается и на дисплей выводится информация, которая сооб­ щает оператору данного участка о необходимости проведения на плате той или иной работы. В радиосистемах использовались компоненты для традицион­ ного, а также для поверхностного ~монтажа. При этом для спеuи­ альных (редко применяемых, уникальных) компонентов, как и для широко применяемых, используется чаще всего двухбункер­ ная система питания, и каждый бункер кодируется штриховым кодом. После того, как из первого бункера будут выбраны все комNоненты, оператор вводит штриховой код в складской компью­ тер, который, используя автоматически управляемую транспорт­ ную систе:..1у, обеспечивает смену бункера. С помощью стандартной программы «CAN BUILD» сначала определяют, все ли ко:'.fпоненты для сборки изделия имеются в наличии. Ко:'.fпьютер также осуществляет контроль технологи­ ческих параметров проводимого процесса и выдает в реальном масштабе времени информацию о качестве его выполнения, с тем чтобы можно было немедленно осущест.вить корректировку тех­ нологических режимов либо исправление брака. Компьютерная система построена на принципах локальной сети с использовани­ ем аппаратуры производства фирмы IBM. Доступ к пакетам про­ грамм, связанным, например, с распределением материалов и заказами потребителей, осуществляется с помощью стандартно­ го протокола IВ.М.
Глава 7 060РУДОВдНИЕ ДЛЯ С60РКИ КОМПОНЕНТОВ Нд ПЛдТЕ К: 1987 r. выбор автоматов-укладчиков на рынке стал практически неогра- ниченным. Обычные автоматы-укладчпки чип-компонентов могут теперь произ- , · водить сборку всех типоразмер ов корпусов SOIC и PLCC. Для смешанного монтажа, который характеризует переходный период в освоении ТПМК. мож- но объединить интегрир о ванные линии сборки, рассчитанные на небо льшой объем выпуска изделий . Высокопрецизпонные модули индивидуального монта- жа, снабженные системами технического зрения, могут позиционировать кор­ пус а с шагом выводов 0,025 дюйма {0,635 мм) и числом выводов более 84. Ведущие япо нс кие фирмы-изготовители об о рудования вводят двухмодульные системы , кот о рые могут позиционировать все корпуса, предназначенные для поверхностн о го м онтажа . Фирмы-изготовители США сохранили свое лидерство в об ласт и сборочных ра бо т ср едней и малой производите.1ьно сти при средней и высокой доле поверхн остно монтируемых компонентов в микросборке, что характерно для большинства американских технологических линий . Становится очевидным, что конкуренция со стороны японских поставщиков оборудова- ния возрастает . Японские изготовители приобрели большой опыт в разработке интегрированных систем сборки и монтажа и предлагают по.1ны й набор обору­ дования для изготовления микросборок с поверхностным монтажом коыпонен- тов, начиная от устано,1юк для трафаретной печати и кончая финишным ~он­ троле м. В начале 80-х rr. все оборудование для сборки компо'Нентов на поверхность платы ограничивалось высокоскоростными ма­ шина .м и, предназначенными для установки прямоугольных или цилиндрических чип-резисторов и чип-конденсаторов с лент-но­ сителей шириной 8 мм. Лучшие среди известных установок при­ надлежали Японии, которая вместе с фирмой Philips поставляла сборочное оборудование для Европы. По мере проникновения ТПМК на американский рынок в технические условия на новые машины .вво д ились специфические требования, обусловленные особенностями функционирования либо сборки и монтажа изде­ лий, выпускаемых в США (например, высокая доля компонентов, монтируемых на поверхность плат, в смешанных видах монтажа; преобладание плат для цифровых устройств и др.). В настоящее время высокопроизводительные машины могут устанавливать компоненты в различных корпусах, вплоть до 52-выводного PLCC с J-образными выводами, со скоростью более 10 ООО компонен­ тов в час. Производственные модули, предназначенные для пе­ реходного периода в освоении ТПМК, теперь включаются в ин­ тегрированные системы. Широкое распространение получили вы­ сокоточные укладчики малой производительности для корпусов с шагом выводов 0,025 дюйма ~0,635 :м м). Существует несколько типов автономных и встроенных в по­ точную линию укладчиков, приведенных в табл. 7.1 и 7.2. В по-
Оборудование дnя сборки компонентов на nnaтe 183 Таблица 7.1 . Особенности автоматов-укладчиков, работающих в автономном режиме Автомат-укладчик Машины для опытного производства Высокоточные Гибкие средней произ­ водительности Высокоскоростные чи- поукладчики Для массового произ­ водства Характеристика Стоимость менее 70 ООО долл. Невысокая про­ изводительность. Ограниченное число входов пи­ тателей. Перенастраиваемые. Могут встраиваться в сборочную линию малой производительности Для сложных корпусов [с шагом выводов 0,025 дюйма (0,635 мм)]. Оборудованы слож­ ными системами технического зрения. Невысо­ кая производительность. Ограниченное число входов. Могут позиционировать любой тип кор­ пуса. Стоимость около 200 ООО долл. Сопостави­ мы с роботизированными сборочными модулями. В сочетании с чипоукладчиком образуют систе­ мы со сдвоенными модулями, способные пози­ ционировать полный набор корпусов для по­ верхностного монтажа Гибкие, работают в автономном режиме. Сред­ няя производительность. Большое число входов питателей. Быстро перенастраиваемые. Средняя стоимость 150 000-200 ООО долл., производятся преимущественно фирмами США Не ограничены позиционированием только чип­ компонентов. Позиционируют любые компонен­ ты, поставляемые на .1енте-носителе шириной до 24 мм. Производительность от 9000 до 18 ООО компонентов в час. Производятся преимущест­ венно фирмами Японии Производительность 100 ООО компонентов в час и выше. Для крупносерийного производства изде­ лий автомобильной и бытовой электроники следние годы количество машин для опытного пр·оизводства по­ стоянно возрастало, а их совместимость с другими модулями в системах малой производительности улучшалась (та·бл. 7.3). Большим новшеством стало появление высокоточных укладчи­ ков, способных позиционировать корпуса с шагом выводов 0,025 дюйма (0,635 мм) при частоте появления дефектов ниже 1000· l0 -6 • П араллельно с эт им были улучшены технические воз­ можности высокопроизводительного оборудования, обеспечиваю­ щего уменьшение частоты появления дефектов до (100-200) Х Х 10-6 , например за счет расширения диапазона типоразмеров лент-носителей компонентов, включая ширину 24 мм. Комбина- ция автоматов, состоящая из высокоточного укладчика и высо­ коскоростного укладчика чип-компонентов, позволяет выполнять 100% сборочных работ (при наличии всевозможных корпусов для поверхностного монтажа) с по11:1ощью всего лишь двух единиц
184 r1111вв 7 Таблица 7.2. Систематизация автоматов-укладчиков поточного производства Автомат-укпадчик Малой производитель­ ности Высокоточные Средней производи­ тельиостн Универсальная система Общие характеристики оборудования Несколько машин для опытного производства могут быть объединены механизмом транспорти­ ровки плат. К:оличество входов у каждого моду­ ля может быть значительно сокращено, по­ скольку компоненты с питателей будут подавать­ ся только с одной стороны машины. Точность познционировання недосчточна для ИС с боль­ шим числом выводов и малым шагом между ними. Невысоitая стоимость Могут позиционировать корпуса сложных конст­ рукций. Высокая точность позиционирования (с использованием встроенной системы техниче­ ского зрения) обеспечивает выход годных более 99,9 %. Невысокая производнтельиость. В техно­ логической лнннн устанавливается несколько та­ ких машин, работающих в автономном режиме В технологической линии устанавливается не­ сколько перенастраиваемых машин, работающих в автономном режиме Включает высокоточный автомат и высокопроиз­ водительный чипоукладчик. Двухмодульная под­ система позиционирования устанавливает полный набор компонентов для ТПМК:. Включает также устройство трафаретной печати и установку пай­ ки 'расплавлением дозированного припоя. Уком­ плектованная сборно-монтажная линия может стоить до 1 млн долл. и монтировать более 30 млн компонентов в год при двухсменной ра­ боте оборудования. Это очень важный довод, свидетельствующий в пользу потенциала полной автоматизации, заложенного в ТПМК. Основные ,поставщики систем разработали полный набор техно­ логического оборудования (устройства трафаретной печати, укладчики компонентов, установки пайки расплавлением дозиро­ ванного припоя, системы технического зрения для контроля, си­ стемы автоматической транспортировки плат) и компьютерные средства управления интегрированной поточной линией. УКЛАДЧИКИ С МАЛОА ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬЮ (менее 4000 компонентов в час) Характеристики автоматов-укладчиков с малой произ.води­ тельностью представлены в табл. 7.4 и 7.5. Этот тип машины мо­ жет быть использован ка_к оборудование для переходного к ТПМК периода (его стоимость ниже 70000 долл.) и как высоко-
06орудоввнне дn• сборки компонентов Йв пnате 185 точное оборудование для позиционироВ:ания корпусов со сверх­ малым шагом выводов. Оно обладает .высокой гибкостью, по­ скольку рассчитано на работу со всеми типами корпусов компо­ нентов и питающих меха~низмов .. Стоимость основной системы зависит от уровня сложности в~одящих в ее состав модулей, ко­ торый варьируется от простых настольных машин (типа графо­ построителя) .до высокогибких систем с автоматической сменой <>снастки, обеспечивающих высокую точность позиционирования. Все машины этого класса производительности работают по принципу произвольного доступа (обеспечивается доступ к лю­ бой детали). Монтажная головка перемещается к питателю, за­ хватывает компонент и размещает его на плате. Недавно на американском .рынке оборудования появился укладчик чип-компонентов (Chip Mounter) производства фирмы Aromat. Это перенастраиваемый автомат с автоматической сме­ ной оснастки. Машина имеет шесть одновременно работающих монтажных головок (каждая из 1юторых р·ассчитана на свой тип компонента) и автоматическую систему са~монастройки, предна­ значена для работы с автоматической транспортной системой. Подача компонентов на сборку осуществляется из магазинов­ шин и лент-носителей шириной до 16 мм. Фирма Celmacs предлагает два дешевых автоматических укладчика с невысокой П!роизводительностью: машину настоль­ ного ти11а SMT-85 и Citizen Al, которая может применяться либо как автономная установка, либо в составе технологической ли­ нии. В последней модели подача комп;онентов осуществляется только от лент шириной 8 и 12 мм. Фирма Contact Systems не­ давно объявила о выпус'ке модели CS-900- дешевого автомата, рассчитанного на один вид питателя: барабан, заряжаемый лен­ той:носителем компонентов шириной 8 мм. Фирма DynaPert производит две модели примерно такой же производительности, рассчитанные на питатели в виде лент·ши­ риной до 24 мм. Модуль MPS-111 представляет собой новый ав­ томат-укладчик, рабо·тающий в авюномном режиме. Эта модель может позиционировать широкий набор поверхностно монтируе­ мых компонентов с питателей различных конструкций. Автомат MPS-318EL предназ.начен для позиционирования 80 разновидно­ стей ко1мпонентов и является модификацией модели MPS-318 (рис. 7.1). Он снабжен камерой для контроля размещения плат, совместим с системой автоматической подачи материалов, а так­ же деталей, поэтому может включаться в состав автоматизиро­ ванной технологической линии. Первоначально фирма DynaPert приобрела ряд автоматов-укладчиков компонентов для поверх- ностного монтажа у фИiр~мы Precima (Великобритания). _ Фирма ЕРЕ Technology- но.вичок в производстве оборудова­ ния. Она изготавливает высокоточные модули со встроенными системами технического зрения. Автомат из этой серии работает
186 Гnавв 7 Таблица 7.3. Примеры автоматов-укладчиков Автономные модупи Фирма-изrотови- Гибкие , Высокоско - Дпя тепь Дпя опытно- Вые око- qpeдиell 'J)ОСТИЫе масса-' го пронэвод· точные производи- чипоукпад- в ого С'ГВЗ тепьио~и чик и произ- во детва Amistar FA2001 SMIOOO Aromat Chip Moun- ter Celmacs Citizeп AI Contact Systems CS-900 ' DyпaPert MPS-111 MPS-500 MPS-2500 · DyпaPert MPS-318 MPS-525 ЕРЕ Technology 20/20 Excelloп МС-30 Factory Automa- ОСМ-8400 tion Fuji ЕР FHP СР-11 ISMECA Placer мет 6000 NETCO Netplace Рапаsопiс МА МРА MK,MQ Philips мсм Quad Star Sапуо ТСМ30, ТСМ40 · Si eme пs HSl80 TDK СХ5030 RX4060 TDK СХ4040 СХ\020 СХ\010 ,. Uпiversa\ 1пstru- 4618 Omпiplace Onserter meпts 4621 47128 Zevatech РРМ от всех видов питателей, ·за исключением лент шириной 32 и 44 мм и оборудован системой автоматической смены оснастки (шесть вид ов захватов). Фирма Excellon поставляет установку ~модели МС -30, пред­ ставляющую собой быстро пере·настраиваемый автомат-уклад­ Чик. Машина может быть надлежащим образом дополнительно оснащена для эффективной одновременной !работы с широким набором типов корпусов . Количество автоматически сменяемых вакуумных присосов достигает восьми; заложенные программы сборки обеспечивают минимум операций смены оснастки, что снижает время перенастройки машины. Компоненты подаются от лент (шириной только 8 и 12 мм), магазинов-шин, ячеистых ма­ газинов и вибробункеров (в которых компоненты раз1мещаются · россыпью). Автомат получил широкое распространение я явля­ ется усовершенствованным .вариантом мо дели МС20, производ­ <:тво которой началось в конце 70-х гг. .1
Оборудоввнне дn• сборки компонентов на ппате Manoii производи- ,тепьиости Chip Mounter Citizeп Al MPS-318 20/20 ОСМ-8400 ЕР P!acer Star 4618 Укпадчики дпя поточного производства Высокоточные МРА, MQ HS\80 Комбинация мо- делей СХ РРМ Средней произво- дитепьиости MPS-500 Omпiplace, Oпser­ ter Уииверсапьиые сисrемы FHP, СР-11 МРА,МК Серия СХ RX4060 187 Установка ОСМ-8400 фирмы Factory Automation также явля­ ется новой моделью. Эта машина, производимая по лицензии японской фирмы Okano, имеет две монтажные головки, универ­ сальный захват с автоматической центровкой компонента, са­ моюстирующийся поршень с величиной перемещения до 0,25 дюй­ ма (6,35 мм) и датчик давления для регистрации отсутствия ком­ понента в захвате. Точность позиционирования составляет +0,0015 дюйма (0,0381 мм), воспроизводимость +0,005 дюйма (О, 127 мм). Число входов для 'Питателей ог~раничено (34), ком­ поненты подаются из магазинов-шин и лент-носителей до 24 мм. Фирма Fuji предлагает автомат для опытного производства (модели ЕР) и высокоточный укладчик (модели FHP). Модель ЕР представляет собой несложный робот индивидуально-после­ довательного типа, в котором не предусмотрена смена оснастки. Автомат работает с такими 'Питателями, как магазины-шины и ленты-носители шириной до 16 мм. Несколько автоматов этой
Таблица 7.4 . Технико-экономические показатели автоматов-укладчиков малой производительности в ТПМК Технико-экономические показаrелн Фнрма-"зrотовнтель Модель производи- t.tакснмаль- С>ТОИМОСТЬ максимальные размеры платы, те.п.ьность , ное колнче- базовой си- 1 ДЮЙМЫ (мм) компонентов CJJ:BO ВХОДОВ стемы, дол- в час питателя пары США Aromat Chip mounter 13 Х 10(ЗЗО,2 Х 254) 3600 45 70000 Celmacs Citizen Al 13 Х 10(330,2 Х 254) 3000 40 50000 Contact Systems CS-900 Данных нет Данных 140 60 ООО нет DynaPert MPS-318EL 18 Х 18(454,2 Х 454,2) 2500 80 52000 DynaPert MPS-111 18Х18(454,2Х454,2) 2000 30 40000 ЕРЕ Technology 20/20 24 Х 22(609,6 Х 558,8) 4000 92 65000 Excellon МС-30 18Х 18(454,2 Х 454,2) 2800 24 70000 Factory Automation ОСМ-8400 I0,5 X 16(266,7 Х 406,4) 3400 34 48000 Fuji ЕР 14 Х 18(355,6 Х 454,2) 2400 20 90000 Fuji FHP-4000 14 Х 18(355,6 Х 454,2) 1300 30 185000 ISMECA Placer 14Х 18(355,6 Х 454,2) 3000 32 120 ООО NETCO Netplace 18 Х 20(454,2 Х 508) 3000 72 125 ООО Panasonic МА 15Х20(381 Х 508) 2100 48 80000 Panasonic МРА 15 Х 20(381 Х 508) 3000 40 175 ООО Quad Star 14 Х 18(355,6 Х 454,2) 2000 100 60000 Siemens HS-18Q 18 Х 18(454 ,2 Х 451,2) 4000 60 150 ООО TDK СХ-50300 14 Х 18(355,6 Х 454,2) 3600 30 150 ООО TDK СХ-4040 14Х 18(355,6 Х 454,2) 1400 40 185 ООО Universal Omniplace 18Х 16(355,6Х406,4) 1500 60 57000 Instruments · 4618А Zevatech РРМ 24 Х 20(609,6 Х 508) 2400 128 150 ООО 5ТfТ'УСЧ:П'Ю 11 о/"'рфttп
Таблица 7.5. Формы поставки компонентов для автоматов-укладчиков малой производительности ' На ленте-носителе шириной Фнрма-нзrото- Я:ченстыi! Россыпью Магазин• sнтель Модель 1 1 1 132/44 мм магазин ши·на 8мм 12мм 16мм 24мм Aromat Chip Mounter * • * • • Celmacs Citizen Al * • * Contact Systems CS900 * DynaPert MPS-318EL * • * • * * DynaPert MPS-111 * • * * * • ЕРЕ Technology 20/20 * • • * • * • Excellon МС-30 * • * * • Factory Automa- ОСМ-8400 • • * • • tion Fuji ЕР • * * • Fuji FHP-4000 • * * • * * * ISMECA Placer .. • * • * * NETCO Netplace • * * • • * * * Panasonic МА * • * * • .. * * Panasonic МРА * • * * • * * Quad Star • * * * * * Siemens HS180 * * * • * * * TDK СХ5030 * * * • * * TDK СХ4040 * • * * * Universal Instru- Omniplace 4618А * • * * * * * * ments Zevatech РРМ * • * * * * • *
190 Гn1вв 7 'Рис. 7.1. Ма ш11на мо дели MPS-318 фирмы DynaPert м о жет использ о в а ться •В качестве недорогой установки для опытного производства небольших пар· тий изделий (с разрешения Emhart DynaPert Corp.) . -модели могут использоваться в .соста.ве сборочной линии, при -этом каждый из них предназначен для позицион·ирования одного типа корпусов. Линия обычно в1<лючает один модуль для нане­ :.еения адrезива и несколько модулей для позиционирования ком­ понентов. Каждый модуль управляется вст. роенным компьюте­ -ром, а управление всей линией осуществляет центральный компьютер. Модель FHP оснащена встроенной системой техни­ · ческого зрения и предназначена для позиционирования корпусов . с ;межцентровым расстоянием между .выводами, равным 0,020 дюйма (0,508 мм). Она нередко используется совместно с уста­ ,новкой CPII для организации линии, включающей два мо дуля. Фирма ISMECA приступает к производ с тву модели, которая первоначально разрабатывалась для сборки навесных компонен­ -тов на подложках гибридных ИС. Машина может работать поч- -ти с любой системой питателей (за исключением магазинов-шин и ячеистых магазинов). Фирма NETCO предлагает новую ~модель- Netplace. Маши­ на работает с любой системой питателей (в случае использова­ ния лент шириной 8 мм rrредусмотрены 72 входные поз иции) и оборудована системой технического зрения для правильной О'РИ­ ентации плат. Однако в настоящее .время она не оборудована устройством для нанесения адгезива.
Оборудование дnя сборнн компонентов на nnaтe 191! Рис. 7.2. Машина модели Star-T фирмы Quad работает с платами и компонен­ тами почти любых форм и размеров; она обычно обеспечивает полную гибкость, на стадии разработки и опытного производства изделий в ТПМК (с разреше- ния Quad Systems Corp.). Фирма Рапаsопiс выпускает модель МА- автомат для инди­ видуально-последовательного позиционирования с одной или, двумя монтажными головка1ми, и новую высокоточную модель МРА. Обе модели могут позиционировать все типы корпусов для по.верхностного монтажа. Модель МРА сочетает в себе достоин­ ства моделей МА и МР (выпуск которой прекращен). Благодаря встроенной систе:v~е технического зрения МРА обеспечивает об­ щую точность позиционирования 0,004 дюйма (0,1016 мм). Уста­ новка МРА может использоваться отдельно или совместно с мо­ делью МК в составе универсальной системы со сдвоенными модулями. Фирма Panasonic является лидером в разработках универсальных сборочных систем. Модель Star фирмы Quad представляет собой удачно выпол­ ненный модуль для опытного произ.водства, оборудованный си-
492 Гnваа 7 ·Стемой автоматической смены оснастки (рис. 7.2). Автомат мо­ .жет включаться в состав производственной системы, но при этом .снижается количество входов компонентов (у каждого такого -модуля). Модель MS-72 фирмы Siemens представляет собой перена­ ..страиваемый автомат-укладчик, рассчитанный на все типы по­ . верхностно монтируемых к омпонентов, кроме тех, которые по­ ставляются на лентах-носителях шириной 24 мм . Модель обору­ дована оснасткой (дозатором) для нанесения адгезива, котора~ , -установлена напротив монтажной головки и работает в паре с · 'Ней таким образ·ом, что, в то время ка к дозатор наносит адгезив на одну п .1ату, монтажная головка ра зм ещает компонент в тре­ ·буемой позиции предыдущей платы на другом монтажном сто­ лике. Модель HS-180 предназначена для работы в составе вы­ сокоточной системы по з иционирования, включающей модуль на­ несения адгезпва и три модуля по з иционирования компонента.в. ·Система ~может позиционировать до 540 различных компоненто.в со с1< ор-остью 12 ООО компонентов в час . Фирма TDK изготавливает три модели автоматов серии СХ5: Их прои зв одительность к олеблется в за висимости от количества .входов и ширины ленты-носителя, которая в данный момент за­ ряжена в мотальный барабан. Производственные во з можности машин ограничены 30 входами питателей; три модификации этих установок отличаются конструкцией монтажных головок. Такие ..машины способны осуществлять позиционирова ние ~поверхностно монтируемых корпусов сложных форм. Различные комбинации модул ей серии СХ5 по з во ,1яют реализовывать высокоточную си­ стему позиционирования. Корпуса сложной конструкции пози­ :ционируются с помощью высокоточного укладчика СХ-4040. Опре­ деленные наборы автоматов серии СХ5 обеспечивают созда ние .высокоточных систем позиционирования, а в сочетании с маши­ ной RX 4060 позволяют сформировать у ниверсальную сборочную .линию. Фирма Universal Instruments недавно начала выпускать свою .первую установку дл я опытных производств (Уiодели Omniplace 4618А). Автомат работает со всеми существующими типами пи­ '!'а телей и м ожет включать ся в состав технологической линии .д.1я мелкосерийного производст.ва. Фирма Zevatech продает на рынке автоматы-укладчики для· поверхностного монтажа с начала 80 -х гг. Машины серии РРМ ,рассчитаны на разные габариты коммутационных плат: модель РРМ-А-на п .1аты размером до 12Х8 дюймов (304,8 Х 203,2мм); модель РРМ-В- на платы размером до 20Х 16 дюймов (508Х Х406,4 мм); модель РРМ-С-на платы до 24Х20 дюймов (609,6Х508 мм). Эти машины могут позиционировать все типы .компонентов, имеющих площадь от 0,04 дюйм 2 (25,8 мм 2 ) до l,18 дюйм 2 (761,1 1Мм 2 ), без смены оснастки. До четырех таких
Оборудование дn• сборки компонентов на пnате 193 модулей могут объединяться в сборочную линию; производи­ тельность линии в этом случае достигает 10 ООО компонентов в час, а количество типоразмеров устанавливаемых компонентов - 512. Встроенная система техничес~юго зрения, которая входит в состав данной линии, выполняет две задачи: проверку правиль­ ности расположения платы и контроль деформации выводов ком­ понентов. УСТАНОВКИ СРЕДНЕЙ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ (4000-6000 компонентов в час) Машины, входящие в эту группу, представляют собой пере­ настраиваемые автоматы, работающие в автономном режиме. Они удовлетворяют потребностям большинства американских фирм-изготовителей электронной аппаратуры и ориентированы на среднюю степень смешанности компонентов для поверхност­ ного и традиционного монтажа, а также на средний объем вы­ пуска изделий (табл. 7.6 и 7.7). Такие автоматы могут позицио­ нировать подавляющую часть простых поверхностно монтируе­ мых корпусов. На рынке оборудования господствуют две американские фирмы, являющиеся лидерами в производстве обо­ рудования для монтажа традиционных компонентов: DynaPert и Universal Instruments. Модель FA-2001 фирмы Amistar (рис. 7.3) появилась в про­ даже совсем недавно. Она предназначена как для позициониро­ вания поверхностно монтируемых компонентов, так и для уста­ новки традиционных компонентов, но в настоящее время выпу­ скается только ее ~модификация для сборки ком1понентов, монти­ руемых на поверхность плат. Автомат имеет две монтажные го­ ловки производительностью 3600 компонентов в час каждая; две машины могут быть соединены в линию. Для проверки точности позиционирования компонента по эталону (методом сканирова- · ния) и контроля правильности размещения компонентов в этих установках используется система технического зрения. Каждая монтажная головка авто~мата имеет доступ к 48 входам питате­ лей; машина работает со всеми типами питателей, за исключе­ нием лент-носителей шириной 16 мм и более. Модель MPS-318 содержит одну, а модель MPS-500 (рис. 7.4) - две монтажные головки для позиционирования ком· понентов. В то время как юервая головка осуществляет выбор 11 захват одного компонента из питателя, вторая устанавливает другой компонент на коммута:Ционной плате. Машины снабжены системой автоматической смены оснастки, а по специальному заказу доукомплектовываются устройством, включающим систе­ му технического зрения для контроля положения платы. Недав­ но предложенная вниманию потребителей модель MPS-525 от­ личается высокой точностью_ позиционирования и является улуч- 13-1533
Таблица 7.6 . Технико-экономические покаЗатели оборудования средней компонентов, монтируемых на поверхность плат производительности для позиционирования Максимальные размеры Производнтель· / Макси~1альиое \ Стоимость базо· Фирма·иэготовитель Модель платы, дюймы (мм) ность, компо... количество во й системы, иеитов в час входов питателя долл . Amistar FA-2001*1 1з х 1з (ззо.2хззо,2) 7200 96 120 ООО DyцaPert MPS-318 18 Х 18 (457 ,2Х457 ,2) 4300 60 70000 DyпaPert MPS-500 18 Х 14 (457 ,2ХЗ55,6) 6000 120 170 ООО DyпaPert MPS-525 18Х 14 (454, 2Х355, 6) 6000 200 200 ООО мет 6000 12 Х 18 (304,8 Х 454,2) 6000 120 170 ООО TDK CX 5030N 14Х18 (355,6Х457 ,2) 5500 зо Данных нет TDK CXIOIO IO X IЗ (254 Х ЗЗО,2) 6600 10 Данных нет Universal Instrumeпts Omniplace 4621 16Х18 (406,4Х457,2) 4500 188 85 ООО • ) Пр едлагается как двухмодульиая система. Таблица 7.7 . Формы поставки компонентов для автоматов-укладчиков ср едн ей производительности Фирма-изготови· 1. Модель j. тепь 8мм Arnistar FA-2001 "' DyпaPert MPS-318 "' DynaPert· MPS-500 "' DyпaPert MPS-525 "' мет 6000 "' TDK CX5030N "' TDK CXIOIO Universal Instru- ments Omпiplace 4621 "' На ленте-носителе шириной 12 мм * * * "' * * * 16 мм "' "' • "' 24 мм * * * • * * 1 32/44мм1 "' Ячеистый маг,аэни * * 1 Россыn&ю / "' "' ."' • Магазин­ шнна • "' * * "' *
Оборудование дnя сборки компонентов на nnaтe 195 Рис. 7.3. Машина модели FA-2001 представляет собой высокогибкий сборочный модуль, недавно разработанный фирмой Amistar. Она может позиционировать прямоугольные и цилиндрические чипы, транзисторы, ИС в корпусе и кристал- лоносители с выводами или без выводов (с' разрешения Amistar). шенным вариантом установки MPS-500 с точностью позициони­ рования 0,008 дюйма (0,2032 1мм). Модель MPS-525 имеет 200 входов для питателей (по 100 с каждой стороны монтажной го­ ловки) в сравнении со 120 входами у модели MPS-500. Появившаяся недавно на рынке модель 6000 фирмы МСТ со­ держит две монтажные головки для позиционирования и рассчи­ ·тана на высокий уровень гибкости. Модель работает со всеми типами компонентов, кроме тех, которые поступают с ячеистых магазинов. Ее объявленная точность позиционирования состав­ ляет +0,002 дюйма (0,0508 1мм), что позволяет устанавливать и позиционировать корпуса сложных конструкций. Встроенная ЭВМ осуществляет сопряжение модели 6000 с системами авто­ матизированного проектирования и производства, а также с ло­ кальными сетями контроля. 13*
196 rп11в11 7 Модель CX5030N фирмы TDK является представителем уста­ новок серии СХ5, рассмотренной в предыдущем разделе. Это са­ мая производительная (5500 компонентов в час) из iмашин дан­ ной серии, но она выполняет позиционирование компонентов, поставляемых ·толь~о на лентах-носителях шириной 8 и 12 мм. Модель СХ1010 является высокоточным автоматом, рассчи­ танным на работу с лентами-носителями шириной 16, 24 и 32 м1м; общее число входов питателей составляет 1О. Модель 4621А Oшniplace фирмы Universal Instruments (1рис. 7.5) содержит 2 головки для позиционирования. Универ­ сальный захват 1позволяет позиционировать компоненты разщ1ч­ ных типов и типоразмеров, обеспечивая тем самым гибкость ра­ боты машины. В стандартном исполнении автомат имеет 40 вхо­ дов для питателей. Дополнительные питающие модули позволя­ ют увеличить чисJю входов для подачи компонентов до 188. ВЫСОКОПРОНЗВОДНТЕЛЬНЫЕ УСТАНОВКИ (9000-20 ООО компонентов в час) В высокопроизводительных машннах используются два спосо­ ба позиционирования: • Последовательно-синхронное позиционирование, когда 4, 6, 8 или более монтажных головок устанавливаются на горизон­ тальной или вертикальной вращающейся башенной головке. • Массовое позиционирование, когда, например, двадцать мон­ тажных головок с захватами ·перемещаются одновременно и позиционшруют за один прием 20 компонентов (СХ-1020 фир­ мы TDK). Это позволяет развивать .высокие скорости работы (табл. 7.8) даже в случае позиционирования корпусов типа SOIC. Последо­ вательно-синхронное позиционирование обеспечивает немедлен­ ную замену компонента, если произошла ошибка при его захвате. В данном случае машины работают только с одной системой питателей - с катушками, заряжаемыми лентами-·носителями (табл. 7.9). Автоматы, которые получают компоненты с лент-но­ сителей шириной 8 и 12 мм, обладают ограниченной гибкостью. У автоматов, использующих в качестве питателей ленты-носите­ ли шириной 16 мм и 24 мм (~модели фирм DynaPert, Fuji и Pa- nasonic), количество входов для питателей уменьшается, но при этом значительно повышается гибкость, поскольку в этом случае они могут позиционировать корпуса типа SO с 16-28 выводами и PLCC с J-образными выводами (с количеством выводов до 42). Среди изготовителей такого оборудования доминируют японские фирмы, которые приобрели инженерный опыт в начале 80-х гг., когда в целях ~миниатюризации изделий бытовой электроники стали применяться чип-резисторы и чип-конденсаторы.
Оборудование дnя сборки компонентов на пnате 197 Рис, 7.4. 1\ilашина модели MPS-500 фирмы DynaPert средней производительно­ сти с двумя рабочими головками и захватами (с разрешения Emhart DynaPert Corp.) . Последний вариант модели SM-1000 (фирмы Amistar) имеет 128 входов для питателей и позиционирует только компоненты, упакованные на лентах-носителях шириной 8 мм, поэтому стоит недорого. Кроме того, установка может быть доукомплектована системой технического зрения для контроля позиционирования компонентов. Модель MPS-2500 фирмы DynaPert появилась недавно. Она в состоянии позиционировать наибольшее число типов и типораз­ меров компонентов из всех высокопроизводительных машин ( 150 разновидностей компонентов, упакованных на лентах-носите­ лях). Установка работает со всеми лентами-носителями шириной до 24 мм. Точность позиционирования составляет 0,004 дюйма (О,1016 мм). За дополнительную плату установка может быть оборудована системой технического зрения, работающей по прин­ ципу распознавания образов, которая обеспечивает контроль совмещения точности выводов компонента с контактными пло­ щадка1ми плать1. Система технического зрения может управлять положением монтажной головки относительно коммутационной платы и тем самым повышать точность позиционирования ком- 14-1533
198 Рве. 7.5. Автомат мо дели 462\А Omniplace фирмы Uпiversal: а -рабочая rO: .повка автомата крупным планом; б - позиционирование ИС в квадратном корпусе (с разрешения Universal).
,,. * Таблица 7.8 . Технико-экономи•1сс1ше показате,1и высоJiопроизво;J,ительных машин для позиционирования компонентов в ТПМК L~ Фирма-изгетовитеJIЬ Максимальные размеры платы, \ Производ<rтель- 1 Максимальное 1 Стоимость базо· Мо,!\ель дюймы (мм) НОС'ТЬ. КОМ.ПО- ко.n:нчество вой системы. ,.. . нентов в час входов питателя долл. Amistar SM-1000 16Х16 (406,4Х406,4) 14 400 128 110 ООО DynaPert MPS-2500 18Х24 (457,2Х609,6) 14 ООО 150 Данных нет Fuji СР-11 13XIO (330,2Х254) 14 400 100. 275 ООО Panasonic МК-1 15Х20 (381Х508) 9 ООО 100 280 о~.~о Panasonic МК-11 13XIO (330,2Х254) 18 ООО 68 300 ООО Panasonic мкн 8Х8 (203,2Х203,2) 10 ООО >30 Да~шых нет Panasonic MQ2 13Х 10 (330,2Х254) 18 ООО r68 280 ООО Sanyo ТСМ-30 /3Х 10 (33О,2Х254) 9 ООО (70 200 ООО Sanyo ТСМ-40 13Х 10 (330,2><254) 9 ООО 'vo 220 ООО TDK RX-4060 13XIO (330,2Х254) 12 ООО 60 Данных нет TDK СХ-1020 13Х 10 (330,2:<254) 11 ООО 20 Данных нет Universal lnstrumcnts Onserter 4712В 16Х 18 (406,4Х454,2) 12 ООО 64 100 ООО Таблица 7.9 . Формы поставки компонентов для высокопроизводяте.nьиых автоматов - ук:шдчиков компонентов в ТПМК Фн11ма-изготовитель Модель Amistar SM-1000 DynaPert MPS-2500 Fuji СР-11 Panasonic МК-1 Panasonic МК-11 Panasonic мкн Panasonic MQ2 Sanyo ТСМ-30 Sanyo ТСМ-40 TDK RX-4060 TDK СХ-1020 Universal lnstruments Onserter 4 712В 8 llM * * * * * * * * • • • • Лента-носнтель шириной 12 мм 16 мм 24 мм * * * * * * * * '* * * * * * * • • * * 32 мм * * * *
200 rnaвa 7 понентов. Данная установка имеет четыре монтажных головки (с захватами), размещенных на центральной башенной головке . Во время нанесения адгезива на одну из плат производится уста­ новка компонентов ·на предыдущую. Машина ~может работать вместе с системой автоматической транспортировки плат. Fuji была первой фирмой, включившей в состав автоматов ­ укладчиков компонентов систему технического зрения; первая такая модель-СРll, была внедрена в США в начале 1986 г . В начале 1987 г. машина была доукомплектована оснасткой, по­ з воляющей работать с лентами-носителями шириной 24 мм . Предполагается, что модели следующего Поколения будут вклю­ ч ать две секции 75-позиционных входов для питателей, работаю· щие в поочередном режиме загрузки и подачи компонентов. Бла­ годаря точности позиционирования при исполь з овании системы техни.ческого з·рения, составляющей 0,004 дюйма (О , 1016 мм), н высокой произ водительности, равной 14 400 компоненто в в ча с , модель CPll имеет успех на рынке. Объединение ~моделей FHP и CPII создает высокопроизводительную универсальную систему сборки. Широкое применение нашли установки серии МК фирмы Ра· nasonic; они были первыми автоматами-укладчиками , обеспечив· шими возможность позиционирования компонентов, упакованных на ленте шириной 24 мм, что очень важно для ~микросборок, ис­ пользуемых при производстве компьютеров. Новейшие .ва·рианты машин этой серии, как и все д ругие высокопроиз.водительные ав­ томаты фирмы, рассчитаны также на работу с лентой-носителем шириной 32 мм. На таких лентах упаковываются компоненты в корпусах PLCC с числом выводов до 84, а также безвыводные керамические кристаллоносители. У автоматов серии МК пово­ ротная система с монтажной головкой имеет 10 рабочих позиций (рис. 7.6), три из которых используются для контроля положения захваченного компонента, а именно: для центровки малых и больших компонентов и для проверки их углового смещения. За дополнительную плату можно доукомплектовать машины систе­ мой технического зрения с целью контроля совмещени я компо­ нента с его позицией на плате и коррекции положения платы. Модель MKII подобна MKI, но применение двух монтажных го­ ловок и уменьшение количества вхо дов для питателей со 100 до 68 позволило вдвое повысить произ в одительность автомата и до­ вести ее до 18 ООО компонентов в час. Модель МКН аналогична другю.1 машинам серии МК, за исключением того, что она пред­ назначена для позиционирования компонентов на подложках ГИС [максимальный размер подложек 8Х8 дюйм 2 (203,2Х Х 203,2 мм 2 )] и имеет только 30 .входов для питателей. Установ ­ ка ~модели MQ2 рассчитана на работу только с лентами-носите­ .т1ями шириной 8 и 12 мм. Использование в ней двух монтажных головок и 68 входов для питателей обеспечивает производитель-
Оборудование дnя сборки компонентов нв пnвте 201 Рис. 7.6. Схема, поясняющая работу системы поворотных го.1овок автомата фирмы Panasonic (с разрешения Paпasonic): 1- вакуумный захват кочпонен­ та; 3 - центровка больших поверхностно-монтируемых компонентов (по осям Х, У); 4 - центровка небольших поверхностно-монтируемых ко'>шонентов (по осям Х, У); 5 - предварительное определение точности углового совмещения компонента; 6 - позиционирование; 7 - контроль углового с-.1ешения; 8 - уда.1ение неправильно размещенного компонента; 9 - смена захватов. ность 18 ООО компонентов в час. Каждая вращающаяся головка имеет четыре рабочих позиции. Причина успеха фирмы Panaso- nic связана с высокой степенью интеграции разрабатываемых систем и высоким качеством программного обеспечения. Фирма Sanyo выпускает два чипоукладчика: ТСМ-30 и ТСМ- 40, рассчитанных на работу только с лентами-носителямп ши­ риной 8 мм (модель 30), а также 8 и 12 мм (модель 40). Число входов для ленты шириной 8 мм равно 70, а для ленты швриной 12 мм - 35. В отличие от них модель MKI фирмы Panasonic И'J:е­ ет 100 питающих входов как для ленты шириной 8 '.11М, так и для _ ленты шириной 12 мм. Фирма Sanyo объявила о выпуске усовер­ шенствованной модели ТСМ-60, имеющей производительность 18 ООО компонентов в час. Еще одним лидером в производстве оборудования является фирма TDK, производящая высокоинтегрированные системы. Ее высокопроизводительное оборудование за дополнительную опла­ ту можно укомплектовывать системой технического зрения, по­ зволяющей обнаруживать отсутствие или омещение (наклон, уход и т. д.) компонента. Автоматы данной фирмы рассчитаны только на работу с лентами шириной 8 и 12 мм. Модель RX-4060 (рис. 7.7) имеет дисковое позиционирующее устройство и рас­ считана на работу с 60 входами для питателей. Высокая произ-
Рис. 7.7 . Высокопроизводительный автомат модели RX-4060 фирмы ТДК (с разрешения ТДК Corp .) .
--- О6орудоввние дn• сборки компонентов на пnвте 203 2 _.. ..- 11 1 Рис. 7.8 . Монтажная головка башенного типа автомата фирмы Universal (с разрешения Universal Instruments): 1 - захват компонента; 2 - контроль компонента; 3 - удаление неисправного компонента; 4 - ориентировка ко!'.ШО· нента; 5 - блок рабочих головок; б - позиционирование 1шмпонента; 7 - лен­ та-носитель Еомпонентов; 8 - вакуумный присос в нерабочем по.1ожен11и; 9 - вакуумный присос в рабочем поаожении; 10 - чип-компонент; 11 - коммута- ционная п.нта; 12 - направление вращения башенной го.1овrш. водительность модели СХ-1020 обеспечивается одновременной работой двух 10-захватных головок (работающих только от 20 входов питателей) на двух коммутационных платах. Оборудова­ ние фирмы TDK предназначено для работы в составе интегриро­ ванных сборочно-монтажных линий, оптимальные характеристи­ ки которых обеспечиваются соответствующим набором машин. В модели Onserter 4712В фирмы Universal Instruments прп­ менена монтажная головка башенного типа (рис. 7.8). В пози­ ции 1 осуществляется съем одного компонента из питающего устройства, заряженного лентой-носите.'Iем шириной 8 мм. В по­ зиции 2 проверяются его номинал, ток утечки и ориентация. Если компонент не выдержал проверку, он выбрасывается, когда го­ ловка доходит до позиции 3. В позиции 4 вращающиеся захваты (п~льцы, манипуляторы) ориентируют и центрируют чип, кото­ рыи устанавливается на плате в позиции 5. Этот способ позицио· нирования позволяет осуществлять проверку каждого компонен-
201 rziaea 7 та без снижения прои з водительности ~1ашины. Питатели данной установки размещены на двух каруселях, каждая из которых обеспечивает подачу с лент-носителей до 32 типов и тип.оразме­ ров компонентов. С помощью дополнительных модулей потреби­ т е ль может расширить диапа з он типора з меров компоненто а ДО 256. О&ОРУДОВАНИЕ ДЛЯ МАССОВОГО ПРОИЗВОДСТВА (более 20 ООО компонентов в · час) Фир~~а Philips является инициатором ра з работки и единс.'f­ венным поставщиком модулей и систем, имеющих произво д и­ тельность более 100 ООО компонентов в час. Имеются сведения, что фирма Sanyo изготавливает машину для массовой сборки компонентов в корпусе MELF, но она, по-видимому, не намерена .ее продавать . В первом поколении машины се р ин МСМ фир~1ьr Philips име- ли прои з водительность 10 ООО компонентов в час и рабо та ли только с лентами-носите.11ями шириной 8 мм. Машины последне- го (шестого) поколения (MCM-Vl) по з иционируют более 120000 компонентов в час. Модель третье г о поколения, MCM-III, уста­ навливает 32 компонента за 2,5 с (или 46 ООО компонентов в час). Конструкция машин основана на одновременной работе 32 го­ лов о к, кот ор ые обеспечивают исключит е льно вы сокую прои з во­ дительность. Это может быть экономически оправдано толь ко в случае сверхвысокого объема прои з водства и очень низкой сте­ пени смешанности компонентов (в основном компо ненты для по- i' верхностного монтажа). Область применения такой т.ехннки ' ограничена массовым произ.водством изделий автомобильной и бытовой э л е ктроники. Новейшие машины модели MCM-VI могут работать с платами -· размером до 10Х17 дюйм 2 (254 Х 431,8 мм 2 ), что вп о лне доста­ . точно для большинства изделий широкого прим е нения (включая телеви з ионную аппара т уру и панели управления автомобилей ). MCM-VI может позиционировать 120 ООО ко.мпон ен тов в ча с и оснащена ра з личны:v~и приспособлениями для сокращения време~ ни перенастройки. Так, 32 вакуумных присоса л егко перенастр а и­ ваются с пове р хностно монтиру е мых компонентов, упакованных в 8-м1м лентах, на компоненты, упакованные в л е нтах шириной 12, 16 или 24 мм, а также в нестандарти зованные ленты. Это по­ зволяет осуществлять сбо р ку на к р упноформатных платах, на которых, как правило, устанавлива е тся большое количество ком­ понентов ра з ных типов; такие платы могут, например, содержать до 400 поверхностно монтируемы х компонентов, упакованных на 8-мм лентах- носителях, и 150 компонентов других типов на лен­ тах иных форматов.
--- Оборудованне дn• сборки компонентов на плате 205 Работа автоматов-укладчиков для массового производства эффективна только при надлежащем программном обеспечении. Помимо обычных программных средств для подготовки операци­ онных данных MCM-VI имеет пакет программ, называемый «СИ· стемой зонального запрета». Эти програм1мы позволяют заселять компонентами партию коммутационных плат, незначительно от­ личающихся топологией коммутацип, на той же самой производ­ ственной линии без перенастройки оборудования. Это оказыва­ ется возможным благодаря доступу к данным, описывающим не­ которую гипотетическую плату, содержащую все поверхностно монтируемые компоненты (гипотетический ансамбль), позицио­ нируемые на платах в этой партии. В момент поступления платы на монтажную позицию компоненты гипотетического ансамбля, не входящие в состав монтируемого изделия, исключаются из опе:рационного плана позиционирования средствами программп­ рования. Эти средства могут использоваться также для обработ­ ки выходных данных системы оптического контроля с целью иск­ лючения платы, признанной дефектной, из дальнейшего процес­ са сборки. MCM-VI разработана для функционирования в автоно~Мном режиме, однако она с равным успехом может использоваться R составе интегрированной технологической линии совместно с ав­ томатическими систе:v1ами транспортировки плат. РОБОТИЗИРОВАННЫЕ КОМПЛЕКСЫ Роботы медленно, но очень уверенно проникают на рынок оборудования для сборки плат. До недавнего времени они при­ менялись для традиционного монтажа компонентов в корпусах сложных форiМ. Достижения в разработках систем технического зрения позволяют позиционировать с помощью роботов большую часть корпусов сложной конструкции для поверхностного монта­ жа. Техническое зрение в сочетании с роботами применяет-:я как для точной [в пределах 0,002 дюйма (0,0508 мм)] посадки выводов корпусов на плату, так и для предварительного контро­ ля корпусов. Для пользователя очень важна копланарность вы­ водов многовыводных корпусов, например типа PLCC. Соответ­ ствующий контроль проводится с помощью специа.1ьно оснащен­ ных роботизированных сборочных модулей. В этом заключается основное преи~Мущество роботов перед высо1юточными машина­ ми, выпускаемыми японскими фирмами. Еще одним преимуще­ ством роботов является присущий им широкий диапазон пере­ настройки, который может быть реализован, например, при сме­ не типа микросборок или переходе к другому типоразмеру кор­ пуса. Последнее преимущество будет уменьшаться по мере по­ вышения уровня стандартизации корпусов. В конечном итоге применение роботов в ТПМК сведется, как и в технике традици-
206 rnaвa 7 -онного монтажа, к .позиционированию корпусов сложных кои­ ~трукций. Пример, приводимый в конце этой главы ,специалистом фир­ мы Hewlett-Packard, являет с я иллюстрацией потенциальных воз­ можностей роботизированной сборочно й ячейки для позициони­ рования поверхностно монтируемых компонентов в корпусах ~ложных конструкций . В примере подче р кивается необ х одимость высокой точности выполнения операций сборки, наличия встроен­ ных средств проведения контроля (испытаний) и т . д" что может . потребоваться в ходе техно .1огичес кого про-ц есса, в том числе и при невысокой с корости по з иционирования. Независимо от ско­ рости функционирования робота, фактическая скорость позицио-­ нирования, например PLCC, с оставляет мен е е 500 компонентов в час. Основной проблемой на п у ти широког о применения роботов для изготовления микросборок в прои з водственных условиях яв­ .ляется сложность сопряжения роботизированного уз ла с соот­ ветствующими устройства1ми и приспособлениями, такими как питатели, устройства тра н спортировки плат и позиционирования компонентов, системы контроля (испытаний) компонентов и т . д. Несколько фирм-изготовителей автоматизированных систем ве­ дут в насто ящее время экс перимен тальные работы по проекти­ рованню и и з готовлению роботи з ированных сборочных ячеек для позиционирования компонентов, с ре д няя стоимость к оторых - со- - -ставляет 150 ООО долл. ПРАКТИЧЕСКИЙ ПРИМЕР. ПРЕЦИЗИОННАЯ СБОРКА В ТПМК Дж. М. Альтендорф Hewl ett-Packard PortaЫe Computer Division, г: Ко рваллис, Орегон, США Требования к миниатюризации электронных компонентов во3- растают, и новые технологические методы ТПМ.К должны учи­ 'Тывать это . Ручная сборка на плате миниатюрных приборов с поверхностным монтажом является очень монотонной . работой, требующей от исполнителя высокой точности, поэтому микро­ ~ борки получаются дорогими и неоднородными по каче с тву. Для производства микросборок наручных калькуляторов фирма Hew- Jett-Packard, в качестве первого варианта освоения гибкой авто­ матизированной линии, и з брала линию сборки и монтажа ком­ понентов н а поверхность плат. Гибкая автоматизация обеспечи­ .ла во з1можность производства больших партий изделий с высо­ кой воспроизводимо с тью параметров качества без потери гиб­ -кости из-за перенастройки оборудования или его усовершенст- 1юваний. Единственный признак, который отличает этот проект авто­ "1:атизации поверхностного монтажа от подобных, связан с очень .жесткими допусками на сборочные операции. Оборудование,
--- Оборудование дл• сборки компонентов на плате 207 установленн.ое в соответствии с данным проектом, в состоянии позиционировать чип-резисторы, чип-конденсаторы, чип-индук­ тивности, 28-выводные корпуса ИС типа SO и три типоразмера корпусов собственной разработки Hewlett-Packard (Quad pack). Последние являются корпусами плоского типа со шлейфом L-образных выводов по всем четырем сторонам. Описываемые здесь методы и оборудование были разраб0Та­ ны для монтажа компонентов с учетом малого шага выводов корпуса [корпус типа Quad pack с шагом выводов 0,031 дюйма (О,787 мм)]. Допуск на несовмещение центральной линии каж­ дого вывода корпуса Quad pack с центральной линией соответ­ ствующей контактной площадки на коммутационнной плате со­ ставляет +0,006 дюйма (0,152 мм). Реа.1ьный разброс из-за не­ сов1Мещения этих размеров с учетом технологических допусков существенно превосходил заданный допуск, что постави.'lо фир­ му Hewlett-Packard перед необходимостью разработки прецизи­ онной роботизированной сборочной ячейки. Для обеспечения точного совмещения двух деталей (при по­ зиционировании) необходимо контролировать местоположение компонентов относительно специальных меток (фигур совмеще­ ния) на плате. Первоначально, при рассмотрении чертежей ком· понентов в корпусе типа Quad pack, в качестве ориентирующего элемента бы.1а выбрана осевая линия в плоскости корпуса, ко­ торая должна совпадать с осевой линией двух противоположных центральных выводов. В составе робота был сконструирован со­ ответствующий механизм для центровки компонента, однако ожидаемые результаты не были достигнуты. Отделение фирмы, поставляющее компоненты в корпусах Quad pack, сообщило, что реальное несовмещение осевых линий корпуса относительно вы­ водов составляет ±0,007 дюйма (0,178 мм). Еще один источник неточности позиционирования компонен­ тов связан со вторым элементом сборки - коммутационной пла­ той. Положение испытательных контактных площадок на плате должно жестко контролироваться относитель-но ориентирующих отверстий платы для того, чтобы обеспечить правильное разме­ щение испытательной оснастки. Поставщики коммутационных плат обычно этого не делают из-за больших дополнительных рас­ ходов. Технические ус.1овия, разработанные фир1мой He\vlett- Packard для микр1осборок наручных калькуляторов, в отноше­ нии отверстий устанав;1ивают единственное требование: чтобы локальное искажение диаметра отверстия с металлизированным межслойным переходом в сторону увеличения не превышало не­ которого значения. Соответственно расстояние от края переход­ ного отверстия до края окружающей его контактной площадки колеблется в пределах ±0,009 дюйма (±О,2286 мм). Когда до­ бавляется погрешность на инструментальный захват, допуск на позиционирование возрастает до величины ие менее ±0,012 дюй-
rпава 7 ма (О,3048 м~м), т. е. вдвое превышает максимальный допуск на . · со в м е ще н и е [±0,006 дюйма (О,1524 мм)], установленный в ТУ фирмы Hewlett-Packard. Обеспечение точности совмещения на плате. Эффективное ре­ шение задачи совмещения компонента с платой оказалось воз­ можным при использовании робота. Для обеспечения общ его допуска на систему позиционирования в пределах +0,006 дюйма (О,1524 мм) и, соответственно, решения проблем совмещения был применен робот D-TRANRTЗOOO производства фир~1ы Seiko. Робот должен определять точное местоположение каждого элемента коммутации на плате. Эти элементы, полученные с по­ мощью эталонного шаблона, имеют воспроизводимый размерный допуск +0,00 l дюйма (0,0254 мм). Хотя ориентирующие штыри оснастки не ~могут обеспечить точность, достаточную для пози­ ционирования компонентов, они все же могут обеспечивать раз­ мещение плат с точностью +О,030 дю1Ъ1а (0,762 мм), что вполне достаточно для дальнейшей манипуляции робота, предваритель­ но ориентированного с помощью направляющих элементов, в по­ исках нужного знакоместа. На всех коммутационных платах, используемых фирмой He\v- lett-Packard для ТПМК, трафаретной печатью наносят специ­ альные ориентирующиие 1Метки. По этим ориентирующим меткам (представляющим собой, например, кольца) осуществляют ори­ ентацию платы относительно позиции ра з мещения компонента. Ориентирующие метки распознаются фотодетектором (по ре­ зультирующему углу отражения), установленным на концевом исполнительном звене робота . Фото.Jетектор выделяет разницу коэффициентов отражения света от участка метки и фоновой по­ верхности коммутационной платы. Находясь в центре монтажной головки с вакуу1мным присосом, фотодетектор расположен кон­ центрично с осью а (осью вращения концевого исполнительного звена) робота. Поэтому робот может использовать точки, обна­ руживаемые детектором, без учета углового перемещения по оси а.. С выхода фотодетектора информация в двоичном коде по­ дается на вход соответствующего исполнительного механизм а робота. Специально написанная машинная программа выдает данные для юстировки положения звеньев робота в соответствии с ин­ формацией, принятой от детектора, используя при этом фиксиро­ ванный калибровочный импульс. Если нужна регулировка, про­ грамма выводит на дисплей количество градусов, на которое не­ обходимо повернуть каждый юстировочный винт для перецент­ ровки детектора. Как указывалось ранее, ориентирующая метка выполняется в виде кольца. Движения робота управляются таким образом, чтобы фотодетектор при этом находился в исходной позиции, со-
Оборудоввние дп• сборки компонентов на ппате 209 ответствующей геометрическому центру кольца (номинальному центру ориентирующей метки). Робот контролирует выходной сигнал с фотодетектора с целью обнаружения метки по резуль­ тирующему углу отражения. Если метка не обнаружена, осуще­ ствляется ее попек в предположении, что она находится где-то в центре. Направление движения в поиске метки выбирается та­ ким образом, чтобы при этом задействовалась только одна сте­ пень свободы робота. Этим исключается ступенчатое перемеще­ ние, которое иногда имеет место при использовании нескольких степеней свободы робота. Управляемый программой робот дви­ жется в направлении движения часовой стрелки и одновременно непрерывно контролирует сигналы, получаемые от фотодетекто­ ра. Когда такой сигнал показывает появление метки, робот опре­ деляет свое текущее положение и отправляет его координаты в память для последующей обработки. Затем робот, возвратившись в исходное положение, осуществляет поиск в направлении дви­ жения против часовой стрелки до тех пор, пока он не находит еще одну метку. Робот рассчитывает среднее положение между двумя найденными точками и перемещается в эту новую, третью точку. Благодаря соответствующей конструкции робота возможно выдвижение или сокращение его манипулятора (по так называе­ мой осн R.) . При этом фото.Jетектор перемещается вместе с ма­ нипулятором от середины ориентирующей ~метки и далее до тех пор, пока регистрируется наличие метки. Затем робот отправля­ ет .в ЗУ координаты метки и возвращается по команде в исход­ ную позицию, убирая манипулятор до тех пор, пока не пропадет метка. Среднее от двух крайних показаний детектора является центра.аьной точкой кольца, координаты которой робот за пом и-· нает с целью дальнейшего использования. Эта центральная точка становится началом новой системы координат, используемой при позиционировании компонентов. Чтобы задать новую систему координат, необходима еще хоть одна точка, напри~Мер лежащая на оси Х. Для определения такой точки используется вторая фигура со.вмещения (второе кольцо) на коммутационной плате. Центр второго кольца находится по той же самой процедуре поиска, ко­ торая описана выше. Используя команду на языке робота, далее задают новую систему координат с началом в точке, совпадаю­ щей с центром первой фигуры совмещения, а положение оси Х уточняется центром второй фигуры совмещения. Как уже отме­ чалось, робот RT 3000 фирмы Seiko осуществляет преобразова­ ния координат с помощью встроенного компьютера, однако ту 1 же самую задачу может решать и автономная ЭВМ. Обеспечение точности совмещения при сборке на плате ком­ понентов в корпусе Quad pack. Перед захватом роботом компо-
.. lJO rnавв 7 нента в корпусе Quad pack (корпус ювадратной формы) произ­ водится его це!dтровка с помощью периферийного оборудованиs~. Это дает точность позиционирования выводов корпуса с разбро­ со м не более ±0,007 дюйма (0,1778 мм). Точность может быть повышена с помощью си с темы технического зрения. Однако .во время создания экспериментального варианта такой сист е мы вы- . я с нилось, что длительность ее рабочего цикла и стоимость чрез­ мерно велики. Поэтому для предварительной центровки компо­ нентов в корпусе Quad pack было изготовлено преци з ионное цен­ трирующее устройство, содержаще е У-образны е канавки, рассчи­ т а нные на номинальное положение каждог() вывода . Робот сна­ чала размещает КОiмпонент непоср ед ственно на д канавками цен­ трирующего устройства, а затем опускает компонент до тех пор, пока его вывод ы не окажут с я как раз меж д у гребнями канавок. П осле этого робот отп у скает компон ент и слегка на да вливает на него с ве р ху, чтобы выводы погрузились в У-образные канавки·. З а тем робот снова захватывает компонент с помощью вакуумно­ го присоса и вынимает его и з гнезда. При этом робот осущест­ вляет позиционный контроль компонента и другие операции, связанные с по:зиционированием. Центрирующее устрой ство включается в работу только в том случае, если робот с достаточной точностью разместил в нем ком­ понент, т. е . если выводы компонента попали ~ соответствующие У-образные канавки этого устройства. Компонент в свою очередь должен достаточно свободно за х одить в центрирующее у строй­ ство. Дать количественную характеристику этого проце сса -з а­ труднительно, но по наиболее оптимистической оценке специали­ стов фирмы Hewlett-Pa ckard в е личина допуска на смещение цен­ тральной линии средних выводов компонента при позициониро­ вании снизилась с ±0,007 дюйма (0,1778 мм) до ±0,002 дюйма (О,0508 мlМ) при позиционировании с предварительной центровкой. Процесс сборки компонентов на плате. После извлечения ком­ понента из це нтрирующего устройства робот переносит компо­ нент к до з атору адге з ива и н а повер х ность корnуса компонента наносится капля клея, иногд а в сочетании с активатором (циа­ накрилатом). Зат е м робот перем е щается в положение позицио­ нирова н ия компонента на к оммутационной плате в с и стеме ко­ ордин а т, задаваемой центра1ми ориентирующих меток платы, найденными в процессе поиска. После этого робот по з ициониру­ ет компонент на плате, прекращая движение в момент, когда датчик, смонтированный на концевом звене исполнительного ор­ гана, з афиксирует заданную величину давления на компонент. Спустя 2 с, за которые адге з ив успевает обра з овать адгезион­ ные связи с контактируемыми материалами (схватиться), ваку­ умный присос освобождает компонент. Благодаря адгезиву вы­ воды компонента удерживаются в пределах контактных площа-
О6орудоввние дл• сборки компонентов ив плате 211 док платы, покрытьrх припайной пастой. При монтаже квадрат­ ных корпусов неожиданно выявились два достоинства данной технологии: во-первых, в процессе пайки у выводов сложной кон­ фигурации создаются более качественные паяные соединения и, во-вторых, ко.1ебания толщины припайной пасты на контактных площадках платы в значительно меньшей степени влияют на ка­ чество контактирования компонента ~ платой, чем в традицион­ ной технологии. Схват манипулятора в большинстве случаев состоит из ваку­ умного присоса, описанного выше фотодетектора и двух доза.то­ ров. Один из дозаторов служит для нанесения капель эпоксид­ ного клея на чип-резисторы и чип-конденсаторы, другой - для нанесения цианакрилатового активатора адгезива. Активатор наносится на плату непосредственно до позициони­ рования квадратного корпуса с целью ускорения процесса от­ верждения эпоксидного адгезива. В отдельных случаях эпоксид­ ный клей используется без цианакрилата. После использования· оба дозатора пневматически убираются, чтобы не мешать рабо­ те вакуумного присоса. Чип-резисторы и чип-конденсаторы поступают к роботу с пи­ тателей, заряженных 8-мм лентами-носителями. В этом случае робот. не производит корректировку положения компонента, по­ скольку к точности предварительной ориентации таких компо­ нентов не предъявляется жестких требований (вполне достаточ­ ной считается точность, обеспечиваемая установкой компонентов на ленты-носители). Специальный питатель подает ИС в кор)Пусе типа SO в исполнительный орган робота после прецизионной центровки выводов в устройстве с У-образными канавками. Сра· зу же после центровки выводов эти компоненты устанавливаются на коммутационной плате в местах, !<'Оординаты которых коррек­ тируются в процессе позиционирования относительно ориентиру­ ющих меток платы. Оценка роботизированной системы. На сегодняшний день с помощью четырех роботов RT 3000 (производства фирмы Seiko) собрано более 2,5 миллионов компонентов в квадратных корпу­ сах на коммутационных платах семи различных конструкций. Незапланированное время простоя сборочных модулей для ком­ понентов поверхностного ~Монтажа составило менее 5% в основ­ ном из-за неполадок периферийного оборудования. Незаплани­ рованное время простоя роботов было намного ниже 1%. Часто­ та появления дефектов паянных соединений снизилась до ЗООХ Х 10-6 • На текущий момент длительность технологических опера­ ций оценивается следующим образом: позиционирование чип-ре­ зистора или чип-конденсатора - 4с; нанесение капли эпоксидной смолы - 0,75 с; позиционирование квадратного корпуса - 5,5- 8 с в зависимости от типа используемых периферийных устройств.
Рис. 7.9 . Фрагменты роботи з иров а нн ой с борочной линии фирмы Hewletf· Packard.
--- Оборудование дл• сборки компонентов на плате 213 Помимо улучшения качества изделий роботизированная си· стема обеспечивает сборку ком1Мутационных плат, работа с ко­ торыми другими средствами была бы исключительно трудной. Робот RT 3000 легко программируется с учетом кратковремен­ ных изменений состава монтируемых компонентов (отсутствие этой возможности привело бы к остановке производства). Систе1Ма была разработана за один год и работает уже в те­ чение двух лет. Основываясь на :результатах работы системы и перспективах ее использования на ближайшие два года, можно отметить, что среднегодовой внутрифирменный оборот капитала в данном случае составляет менее двух лет (в.нутрифирменным оборотом капитала называется наибольшая скорость обращения · капи тал а, которая позволяет без ущерба изымать капитал из по­ тока авансируемых средств для погашения займа). Однако наиболее важный, потенциальный выигрыш от освое­ ния повой техники трудно выразить как нечто материально ося­ заемое. Роботизированная линия сборки изделий в ТПМК была первой реализацией гибкого автоматизированного производства фирмы Hewlett-Packard на заводе в Корваллисе (рис. 7.9). Раз­ работка проекта такого производства побудила специалистов этой фирмы глубоко вникнуть в специфику технологического процесса II в особенности управления нм. Приобретенный опыт и знания в сочетании с результатами успешной работы сборочной линии убедили руководство предприятия поддержать разработку других робототехнических комплексов для повышения степени автоматизации производства.
Глава 8 ПАЙКА Традпцнонная техника паiiки волной припоя выполняется чаще всего по ­ груже1ш ем компонента в ванну с прнп о ем. Для пайки на коммутацнонных платах комнонептов в ТПМК обычно применяется метод расплавленнн дози­ рованного 11р11поя . Пайка расп:1авлением припоя в п а рогазово~'i фазе в настоя-. щее вре м я уступает место пaii1\ e с инфра1<расным 11'1гр ев о м, ла~срная же пай­ I< а по1 \а пе по.1 у 'шла распростр а н ен ин. Вед у щ11е поставщ11ю1 сбо1ю 1 ш о -монтаж­ ного оборудова1111н обычно включают установки д.~я пайка в состав выпускаем~1х про11зво дс твепных тшпi'J. В настоящее время уже 11м еется достато 1mыl1 опыт для выбор а припайной пасты, параметров нроu есса 11айк11 и ус :ювнii о•шстки кпммутаuнонных плат . Учет особенностей пайкн на стащш пpo el\T llj)()\JJH11я издем1 1! в сочетании с к о нтро :~ем реж11ма проц есса паi11ш с п11жает частоту появлен ия дефекто в на этапе паiiкн 11 очнстки шделиi'! до уровня (50-5000) · 10- 6 • ПоявJ1е11ие на коммутационных платах поверхностно монти­ руемых компонентов существенно изменило .технологию пайки. Пайка волной припоя была внедрепа в 50-х гг. и д о настоящего времени является единств~нным групповым методом пайки ком­ понентов, устанавливаемых в отверстия коммутационных плат. Для пайки пл а т со смешанным монтажом [компоненты, монти- · руемые в отверстия с одной стороны штаты и простые, монтируе­ мые на поверхность (паосивны е ·компоненты и транзисторы) - с другой] был ра з работан метод пайки двойной волной припоя. Технология пайки поверхностно монтируемых компонентов рас­ плавлением дозированного припоя в парогазовой фазе (ПГФ) появилась в 1973 г., когда фирма DuPont разработала и запа­ тентовала специальные жидкие материалы. В течени е несколь­ ких лет Westerп Electric была единственной фирмой, по.'lьзовав­ шейся преимуществами этой новой разработки. В 1975 г. фирма 3М предложила новы е материалы для пайки в ПГФ, а один из изготовителей оборудованИя для пайки (фирма НТС) стал веду­ щим поставщиком систем пайки в ПГФ. С 1983 г. основным кон­ курентом пайки в ПГФ стала пайка расплавлением дозирован­ ного припоя с помощью инфракрасного нагрева (ИК-пайка). Эта крап<ая история иллюстрирует те и зм енения, которые претерпела технология пайки в США с появлением компонентов для поверхностного монтажа . В Японии пайка компонентов, уста- . наВJшваемых на поверхность недорогих плат с низкой плот­ ностью монтажа, производится с применением нагретой плиты (или приспособления). Для чувствительных к тепловому воздей­ ствию и .сложных микросборок с поверхностным монтажом тремя ведущими японскими компаппями была разработана и реализо­ вана лазерная пайка.
Паiiка 215 В настоящее время в Японии наиболее широко распростра­ нена ИК-пайка, в то время как пайка в tIГФ еще только внед­ ряется. Освоение техники пайки применительно к аппаратуре нового поколения сдерживается недостаточной изученностью физико­ химических процессов, протекающих при пайке. Пользователи, внедряющие компоненты для ТПМК, обычно выбирают наибо­ лее приемлемые методы и режимы паiiки, а также соответствую­ щее оборудование после предварительных экспериментальных исследований. Эксперименты являются также неотъемлемой частью процесса совершенствования конструкции изделия с уче- том особенностей пайки. ·, ПАЙКА ВОЛНОЙ ПРИПОЯ Пайка волной припоя появилась 30 лет назад и в настоящее время достаточно хорошо освоена. Она применяется только д.ття пайки компонентов в отверстиях плат (традиционная техноло­ гия), хотя некоторые изготовители утверждают, что с ее помо­ щью можно производить пайку поверхностно монтируемых ком­ понентов с несложной конструкцией корпусов, устанавливаемых на одной из сторон коммутационной платы. · Процесс пайки прост. Платы, установленные на транспорте­ ре, подвергаются предварительному нагреву, исключающему тепловой удар на этапе пайки. Затем плата проходит над вол­ .ной припоя. Сама волна, ее форма и динамические характери­ стики являются наиболее важными параметрами оборудования для пайки. С помощью сопла можно менять форму волны; в прежних конструкциях установок для пайки применялись сим­ метричные волны. В настоящее время каждый производитель использует свою собственную форму волны (в виде греческой буквы «омега», Z-образную, Т-образную и др.). Направление и скорость движения потока припоя, достигающего платы, также могут варьироваться, но они должны быть одинаковы по всей ширине волны. Угол наклона транспортера для плат тоже регу­ лируется. Некоторые установки для пайки оборудуются дешун­ тирующим воздушным ножом, который обеспечивает уменьше­ ние количества перемычек припоя. Нож располагается сразу же за участком прохождения волны припоя п включается в работу, когда припой находится еще в расплавленном состоянии на ком­ мутационной плате. Узкий поток нагретого воздуха, движущийся с высокой скоростью, уносит с собой излишки припоя, тем самым разрушая перемычки и способствуя удалению остатков припоя. Когда впервые появились коммутационные платы, с обратной стороны которых компоненты устанавливались на поверхность, их пайка производилась волной припоя. При этом возникло множество проблем, связанных как с конструкцией плат, так
·i 1a r1111u а PJJC. 8 .1. Схематическое представлеиие процесса пайки Двойной волной припоя. (Источник: фирма Sensbey.) ~ и с особенностями процесса пайки, .а именно: непропаи и отсут· . ствие галтелей припоя из-за э ффекта затенения выводов компонента другими компонентами, преграждающими доступ волны припоя к соответствующим контактным площадкам, а таI\Же наличие полостей с Захваченными газообразными продук- ·1 i та ми разложения флюса, мешающих дозировке припоя. ,, ПАЙКА ДВОАНОА ВОЛНОА ПРНПОSI Совершенствование конструкции платы оказалось недоста- 1·~· точным для достижения высокого уровня годных при традицион- . ных способах изготовления изделий с простыми компонентами, монтируемыми на поверхность обратной стороны плат. Потре­ бовалось изменить технологический процесс пайки волной, ·\ внедрив вторую волну припоя. Первая волна делается турбу - , лентной и узкой, она исходит из сопла под большим давлением (рис. 8.1). Турбулентность и высокое давление потока припоя иоключает формирование полостей с газообразными продуктами разложения флюса. Однако турбулентная волна все же образует перемычки припоя, которые разрушаются второй, более пологой ламинарной волной с малой скоростью истечения. Вторая волна обладает очищающей способностью и устраняет перемычки припоя, а также завершает формирование галтелей. Для обес­ печения эффективности пай~и все параметры каждой волны должны быть регулируемыми. Поэтому установки для пайки двойной волной должны иметь отдельные насосы, сопла, а также
Пайка 217 блоки управления для каждой волны. Установки для пайки двойной волной рекомендуется приобретать, вместе с дешунти­ рующим ножом, служащим для разрушения перемычек из при­ поя. Пайка двойной волной припоя применяется в настоящее вре­ мя для одного типа коммутационных плат: с традиционными компонентами на лицевой стороне и монтируемыми на поверх­ ность простыми компонентами (чипами и транзисторами) на обратной. Некоторые компоненты для ТПМК (даже пассивные) могут быть повреждены при погружении в припой во время пай­ ки. Поэтому важно учитывать их термостойкость. Если пайка двойной волной применяется для монтажа плат с установленны­ ми на их поверхности компонентами сложной структуры, необ­ ходимы некоторые предосторожности: 8 применять поверхностно монтируемые ИС, не чувствительные к тепловому воздействию; 8 снизить скорость транспортера; • проектировать коммутационную плату таким образом, чтобы исключить эффект затенения. Хорошо разнесенные, не загораживающие друг друга ком­ поненты способствуют попаданию припоя на каждый требуемый участок платы, но при этом снижается плотность монтажа. При высокой плотности монтажа, которую позволяет реализо­ вать ТПМК, с помощью данного метода практически невозмож­ но пропаять поверхностно монтируемые компоненты с четырех­ сторонней разводкой выводов (например, кристаллоносители с выводами). Чтобы уменьшить эффект затенения, прямоугольные чипы следует размещать перпендикулярно направлению движе­ ния волны. Трудно паять двойной волной припоя транзистор в корпусе SOT-89, поскольку он имеет довольно массивный цент­ ральный вывод, что затрудняет его равномерное смачивание припоем (и растекание припоя) по всей поверхности. ПАRКА РАСПЛАВЛЕНИЕМ ДОЗИРОВАННОГО ПРИПОЯ В ПАРОГ АЗОВОR ФАЗЕ (ПГФ) Пайка расплавлением дозированного припоя применима только к микросборкам с поверхностным монтажом. Она значи­ тельно отличается от ранее описанных методов. Процесс начи­ нается с нанесения способом трафаретной печати припайной пасты на контактные площадки коммутационной платы. Затем на поверхность платы устанавливаются компоненты. В ряде случаев припайную пасту просушивают после нанесения с целью удаления из ее состава летучих ингредиентов или предотвраще­ ния смещения компонентов непосредственно перед пайкой. Пос-. ле этого плата разогревается до температуры расплавления 15-1533
218 Гnава 8 250 225 200 ~ 175 ,.- а. 150 >- .... "'а. 125 ф i:: :е 100 ~ 75 50 250102030405060708090100110120 Время, с Рис. 8.2. Температурно-временн6й режим д,1я пайки в ПГФ. (Источник: фирма - Signetics.) Пnата с установленными компонентами Смонтиро1анна11 коммутационна11 плата \= Всnомог атеn ьная технопогическая среда (фреон Т F) Осное н ая технопогическаfl среда ( инертнь1й <'тор - углев одород при 215'С) Кипящий жидкий фторуглеводород 1 ......---~} ______ ~ = - = = t ----- = _J Нагреватель _ _ _ _ _ •___ Рабочий контейнер ----"'-----------из нержавеющей стали - Рис. 8.3. Схематическое представ ление пайки в ПГФ с двумя технологически­ ми средами. ~Источник: фирма Texas Iпstruments.) припайной пасты. В · результате образуется паяное соединение \ между контактной площадкой платы и выводом компонента. - Такая техника пайки применима к коммутационным платам без монтируемых в отверстия компонентов, т. е. с набо­ ром только поверхностно монтируемых компонентов любых 'l'ИПОВ. Метод пайки в парога зовой фазе является разновидностью пайки расплавлением дозированного припоя, в ходе которой _ парьr специальной жидкости конденсируются на коммутационной плате, отдавая скрытую теплоту парообразования открытым участкам микросборки. При этом припайная паста расплавля­ ется и образует галтель между выводом компонента и контакт­ ной площадкой платы. Когда температура платы достигает тем­ пературы жидкости, процесс конденсации прекращается, тем самым заканчивается и нагрев пасты. Повышение температуры
Па Яка 219 платы, от ее начальной температуры (например, окружающей среды перед пайкой) до температуры расплавления припоя, осуществляется очень быстро и не поддается регулированию (рис. 8.2). Поэтому необходим предварительный подогрев п~аты с компонентами для уменьшения термических напряжении в компонентах и местах их контактов с платой. Температура расплавления припоя также не регулируется и равна темпера­ туре кипения используемой при пайке жидкости. Такой жид­ костью является инертный фторуглерод, например FC-70 произ­ ~зодства фирмы ЗМ. 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 рабо­ чих жидкости (рис. 8.3), при этом использовались обычно несколько установок пайки в составе производственной .тшнии. С целью предотвращения утечки паров дорогого фторуг лерода 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*> требовались системы нейтра­ лизации кислот. Установки для пайки с двумя рабочими жидкостями оказа­ лись непригодны для линий сборки электронной аппаратуры. Поэтому в 1981 г. фирмой НТС стали выпускаться установки для пайки в ПГФ, встраиваемые в технологические сборочно-мон­ тажные линии. Такие установки имеют относительно небольшие входное и выходное отверстия, позволяющие реализовать систе­ му с одной технологической средой (рис. 8.4). Приведенная на рис. 8.4 конструкция обеспечивает возможность включения уста­ новки в состав технологической линии. При использовании установки для пайки в ПГФ таких ком­ понентов, как чип-конденсаторы и чип-резисторы, может воз­ никнуть проблема, известная как «Эффект опрокидывания ком­ понента». Причина опрокидывания компонентов до конца не изучена, и универсальных средств для избежания этого в на­ стоящее время не существует. Необходимо варьировать пара­ метры процесса пайки до тех пор, пока не прекратится опроки­ дывание компонентов. *> Защита коммутационных плат необходима в первую очередь от раз­ рушающего действия кислот на материал коммутации (химическая, а затем электрохимическая коррозия). К:роме того, рабочая часть контейнера установ­ ки пайки в ПГФ должна изготовляться из коррозионностойкого материала, что отражается на стоимости такого оборудования. - Прим. перев. 15"
220 ПоАача изделия и nредварител1t­ ный нагрев rnaвa 8 Пайка расnnаеnением дозированного npиno11 Выход готового изделия и еге охлаждение Плата с установленными компонентами LJ · R П.ары фторуглеводород 0аR СмонтИро- \ ti ti Охладитель ванная КП 1 • • • • • • • / ~= ------~ --~--·- --- -- - =__., ' 1 .. . .. г /t 1 - ~·_ •__ - - - - - -- --.... i~;:.~"·- 8ентиn~щионное - ·-• -- - -- -- - -.........._ от1ерстие - /--=-=.. -- =- ::....::-=-::.:. .= Нагреватель / ---.......... Рабочий контейнер Киnящи~ жид~ий ф:rоругnеводород из нержавеющей стали Рис. 8.4. Схематическое представление пайки в ПГФ с использованием одной; технологической среды. (Источник: фирма Texas Instruments.) · ПАЯКА РАСПЛАВЛЕНИЕМ ДОЗИРОВАННОГО ПРИПОЯ С ИНФРАКРАСНЫМ НАГРЕВОМ Процесс пайки компонен т ов, собранных на коммутационной плате, с помощью ИК-нагрева аналогичен пайке в ПГФ, за ис­ ключением того, что нагрев платы с компонентами производится не парами жидкости, а ИК-излучением. Основным механизмом передачи тепла, используемым в уста­ новках пайки с ИК-нагревом, является излучение. Передача тепла излучением имеет большое преимущество перед теплопе­ редачей за счет теплопроводности и конвекции в описанных ранее методах, так как это единственный из ме х анизмов тепло­ передачи, обеспечивающий передачу тепловой энергии по всему объему монтируемого устройства. Остальные механизмы тепло­ передачи обеспечивают передачу тепловой энергии только поверхности монтируемого изделия. В отличие от пайки в ПГФ , в процессе пайки с ИК-излучением скорость нагрева регулиру­ ется изменением мощности каждого излучателя и скорости дви­ жения транспортера с коммутационными платами. Поэтому термические напряжения в компонентах и платах могут быть снижены посредством постепенного нагрева микросборок (рис. 8.5). Основным недостатком пайки с ИК-нагревом является то, что количество энергии излучения, поглощаемой компонентами и платами, зависит от поглощающей способности материалов, из которых они изготовлены. Поэтому нагрев осуществ.п яется неравном ерно в преде .1ах монтируемого устройства. Пайка кри­ сталлоносителей без выводов или с J-образными выводами мо-
Пайка 221 300 275 250 ? ",- 200 а. >- 175 .... .., а. 150 "'<::· ::Е :'!- 50 о 15 30 45 60 75 90 105120135150165180195210225240 Время, с Рис. 8.5 . Температурно-временнбй режим для паjtки расплавлением дозирован­ ного припоя при ИК-нагреве. (Источник: фирма Signetics.) жет оказаться невозможной в установках с ИК-нагревом, если компонент непрозрачен для ИК-излучения. В некоторых установках для пайки с ИК-нагревом вместо ламп ИК-излучения применяются панельные излучающие систе­ мы. В этом случае излучение имеет намного большую длину волны, чем излучение традиционных источников. Излучение та­ кой излучающей системы не нагревает непосредственно микро­ сборку, а поглощается технологической средой, которая в свою очередь передает тепло микросборке за счет конвекции. Этот способ пайки устраняет ряд недостатков, присущих традицион­ ной пайке с ИК-нагревом, таких, как неравномерный прогрев от дельных частей микросборки и невозможность пайки компо­ нентов в корпусах, непрозрачных для ИК-излучения. Панельные излучатели имеют ограниченный срок службы и обеспечивают намного меньшую скорость нагрева, чем традиционные источ­ ники ИК-излучения. Однако при их использовании может не потребоваться технологическая среда из инертного газа. ДРУГИЕ МЕТОДЫ ПАЯКИ Методы пайки волной припоя, двойной волной припоя, в ПГФ и с ИК-нагревом в настоящее время широко используются в США. Пайка расплавлением дозированного припоя с помощью разогретого приспособления не применяется в США, но широко распространена в .Японии, где почти нет установок для пайки в ПГФ. Пайка расплавлением дозированного припоя с помощью лазера является еще одним способом пайки, применяемым в .Японии, но не используемым в настоящее время в США. Метод пайки расплавлением дозированного припоя с помо­ щью нагретого приспособления был разработан в .Японии приме­ нительно к изделиям бытовой электроники с невысокой плотно-
222 Глава 8 стью монтажа. Суть метода такова: коммутационная плата с компонентами помещается на теплопроводящий транспортер, содержащий набор специальных пластин (температура которых контролируется), передающих тепло через плату к выводам компонентов. Этот метод широко применяется для пайки гибрид­ ных интегральных схем и может также использоваться для пай­ ки некрупных компонентов, монтируемых на поверхность плат. Пайка расплавлением дозированного припоя с помощью ла­ зерного излучения отличается от всех вышеописанных способов . nайки тем, что все места соединений выводов компонентов с контактными площадками платы прогреваются последовательно, а не одновременно. Для нагрева соединений применяются твер­ дотельные лазеры (на алюмоиттриевом гранате) либо газовые Лазеры (на СО2 ). Главное достоинство лазерной пайки заклю­ чается в том, что пучок лазерной энергии хорошо фокусируется, поэтому данный метод особенно эффективен для пайки термо­ чувствительных компонентов и компонентов с малым шагом выводов. Некоторые из наиболее сложных сборок на платах (например, центральные процессоры универсальных вычисли­ тельных машин) размером lOX 12 дюймов (25,4Х30,5 см) могут иметь 10 000-15 ООО паяных соединений. Такая плот- - ность монтажа не реализуема с помощью наиболее освоенных методов пайки расплавлением дозированного припоя, поскольку главным здесь является качество и надежность паяных соеди­ нений, а не производительность установки. Роботизированные установки лазерной пайки были изготов- _ лены фирмами Hitachi, Fuji, NEC и Toshiba. Типичный модуль для такого способа пайки имеет сдвоенную паяльную головку в составе робота, работающего в декартовой системе координат. Передача лазерного пучка осуществляется по оптоволоконной линии. Разложение лазерного луча с помощью оптических зер- _ кал делает возможной групповую пайку выводов компонента на плате одновременно по обеим сторонам корпуса SO или крист аллоносителя. ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПАЙКИ В настоящее время все установки, реализующие пайку че­ тырьмя основными методами: волной припоя, двойной волной. припоя, в ПГФ и с ИК-нагревом, - можно приобрести на рынке оборудования США. Кроме того, с недавних пор фирма Fuji предлагает установку для лазерной пайки. Пайка волной при­ поя применима только при монтаже традиционных компонентов, в то время как три других метода обеспечивают пайку при поверхностном монтаже компонентов (в том числе метод двой­ ной волны, который используется для плат с набором как тра­ диционных, так и монтируемых на поверхность компонентов).
Паiiка 223. Достоинства и недостатки каждого метода пайки в ТПМК при­ ведены в табл. 8.1 . В табл. 8.2 . перечислено оборудование, предлагаемое некото­ рыми поставщиками. В США широко применяются установки для пайки волной припоя или двойной волной припоя. В практи­ ке поверхностного монтажа компонентов в корпусах сложной конструкции в последнее время при выборе оборудования от­ дается предпочтение установкам пайки в ПГФ перед установка­ ми пайки с ИК-нагревом, но не исключено, что такое положение скоро изменится. Все установки для пайки в ПГФ, выпускаемые изготовителями, указанными в табл. 8.2, разработаны с учетом возможности использования в составе сборочно-монтажных ли­ ний. Большинство поставщиков установок для пайки предлагает также оборудование для очистки изделий после пайки. Все новейшие установки для пайки, появившиеся на амери.J канском рынке, управляются от ЭВМ. Это важное нововведение, потому что процесс пайки весьма сложен. Управление от ЭВМ позволяет варьировать технологические параметры процесса пайки и уменьшает вмешательство оператора. При этом стано­ вится возможной высококачественная пайка со статистическим контролем качества и обработкой результатов измерений в ре­ альном масштабе времени, а также, при необходимости, с при- влечением средств воздействия на технологический процесс с .i целью корректировки его параметров. Выход годных на этапе пайки зависит от качества проекти­ рования коммутационных плат, типа компонентов и используе­ мого метода пайки. Частота появления дефектов в процессе пай­ ки колеблется от 20 · I0-6 для плат с низкой плотностью монта­ жа, спроектированных с учетом требований пайки, до 2000 · 10-5 и более для плат с высокой плотностью монтажа при наличии поверхностно монтируемых компонентов сложной конструкции. В табл. 8.3 приведены основные характеристики некоторых установок для пайки. Все эти установки могут работать с круп­ ноформатными платами. Скорость транспортера важна потому, что она определяет производительность установки. В табл. 8.4 конкретизированы особенности этих установок. Фирма Electrovert предлагает полный набор установок для пайки всевозможных разновидностей собранных плат (в зави­ симости от объема производства, доли поверхностно монтируе­ мых компонентов, типа коммутационной платы). Недавно фирма разработала установку модели Century 2000. Фирма HTC-DynaPert специализируется на производстве установок пайки в ПГФ и первой внедрила эту технологию пайки. Недавно фирма предложила установку комбинированно­ го типа для пайки волной припоя и в ПГФ (модели Туре II). Новая установка может за один проход осуществлять пайку на коммутационных платах со смешанным набором компонентов
Таблица 8. 1 . Досrоинства и недостатки методов пайки, прим~:tiiiемых в ТПМК Метод паАки Двойной волной Расплавлением до· зированного при­ поя в парогазовой среде Расплавление до­ зированного при­ поя с использова­ нием ИК-нагрева Лазерная пайка расплавлением до­ зированного при­ поя Достоинства Недостатки Пригоден для пайки как траднцион- Компоненты погружаются в припой . ных компонентов, так и монтируе- Малопригоден для термочувствительных ИС мых на поверхность Используется существующее обору­ дование для пайки волной после не­ сложной модификации Пригоден для плат с высокой плот­ ностью компонентов Не требуется переворачивание пла­ ты при пайке с обратной или обеих сторон платы Высокая стабильность температуры при пайке Во время нагрева платы с компонен­ тами отсутствуют большие темпера - турные градиенты Оптимальные и управляемые скоро­ сти нагрева Регулируемый температурно-времен­ ной режим пайки Возможность пайки только с одной стороны платы Низкий уровень опрокидывающихся компонентов в процессе пайки Низкая стоимость процесса пайки Низкие первоначальные капитало­ вложения Нагревается только припайная пас­ та вблизи вывода компонента Пригоден для теплочувствительных компонентов Обесп~чивает высокое качество па­ яного сое.11.11пf'н н •1 Малопригоден для компонентов поверхностного монтажа с четырех­ сторонней разводкой выводов Требуется нанесение адгезива непосредственно перед позиционированием Только для плат с малой плотностью компонентов Высокая стоимость очистки изделий (от окислов элементов, входя· щих в состав припоя) Пригоден исключительно для элементов поверхностного монтажа Необходимо дозированное нанесение припайной пасты Предварительный нагрев и процесс пайки пространственно разнесе­ ны (требуется два модуля оборудования) · Большой расход специальных дорогостоящих жидкостей Опасность повреждения некоторых компонентов вследствие высокой скорости нагрева Обра зо вание в процессе пайки агрессивных веществ (кислот) Возможны опрокидывания компонентов, причины которых пока ие установлены hригоден исключительно для компонентов поверхностного монтажа Необходимо до з ированное нанесение припайной пасты Неравномерное поглощение энергии .ИК-излучения разными участ­ ками платы (и, соответственно, разброс температуры нагрева) Может потребоваться экранирование теплочувствительных компо­ нентов В зависимости от конструкции установки может потребоваться пе­ реворачивание п л аты в процессе пайки Некоторые компоненты непрозрачны для ИК-излучения (проблема пайки безвыводных кристаллоносителей н кристаллоносителей с J- образными выводами) Про изводительность 10 выводов в секунду Все фирмы-изготовители, за исключением японских, имеют ,ограни­ ченный опыт работы с этим методом пайки •
Таблица 8.2 . Оборудование для пайки, выпускаемое различными фирмами Метод пайки , Фирма установка дпя вошюil двойной лучом па- пайки волной оборудование припоя волной ЛГФ И!( зера и оппавпеннем до- ДJIЯ ОЧИСТКИ знрованноrо припоя Electrovert • • • ~· • Fuji • HTC-DyпaPert • • Hollis • • • • • Panasonic • RTC о · Sапуо • Sensbey • • • TDK • Treiber • • • Universal-Soltec • • Vitronics • • Zevatroп • • •
Таблица 8.3 . Технико-экономические показатели установок для пайки l Макснма.nьныilраз- Максимальная Стоимость ' Способ пайки СХОJ>ОСТЬ КОН- базовой си- Фн1>ма-изготовнтель Модель установки мер платы , дюl\- вейера, фут/мни стемы, ам:. / мы (см) ('м/мнн) долл. Electrovert Ceпtury 2000 Пайка волной 19,6*> (49,8) 20 (6) 100000 Fuji FHL Лазерная 14 Х 18 (35,6 Х 45,7) 10 пайка/с 150000 HTC-DyпaPert IL-18 ПГФ 18Х18 (45,7Х45,7) 8 (2,4) 85000 Туре 11 Волной и ПГФ lOX 12 (25,4ХЗО,5) 12 (3,6) 125000 Hollis GBS Mark 111 Волной/двойной волной 16•) (40,6) 12 (3,6) 42000 SPS Двойной волной и расплавле- 16•) (40,6) 12 (3,6) 125000 ннем дозированного припоя Panasoпic REF ИК-нагрев lO X 15 (25,4 Х 38,7) 4 (1,2) 100 ООО RTC SMD 6000 Иl\-нагрев 24•) (61) 12 (3,6) '42700 Sапуо TFM I ИК-нагрев !ОХ 13 (25,4 Х 33) 6 (1,8) 100000 Seпsbey Gemiпi 400 FM Двойной волной ' 16•) ( 40, 6) 12 (3,6) 130000 TDK RF4000 УФ/ИК-нагрев !ОХ13 (25,4Х,33) Нет данных Treiber 700CCS Волной/двойной волной 20•> (50,8) 12 (3,6) 100 ООО Uпiversal-Soltec . Maxi Пайка волной 18•) (45, 7) 9,8 (2,9) 26000 Vitroпics SMD700 ИК-нагрев 22•> (55,9) 6 (1,8) 70000 Zevatroп MPS300 Волной/двойной волной 20 Х 12 (50,8 Х 30,5) 18 (5,4) 55000 • ) Макснма.nьная шяряна.
Таблица 8.4. Особенности оборудования для пайки, выпускаемого различными фирмами Ceпtury 2000 S, фирма Electrovert Предварительный ИК:-иагрев Омегообразная волна для традиционных н поверхностно монтируемых ком­ понентов 1Vlаксимальная температура пайки 288 °С (550 °F) Управление от ЭВМ Моде.% изготавливается в двух вариантах: Ceпtury 2000 VP для пайки в ПГФ и Ccпtury 2000 IR для пайки с ИК-нагревом FHL, фирма Fuji Лазерная пайка оплавлением дозированного припоя с помощью направлен­ ного луча (для теплочувствительных компонентов) Двухлучевой лазерный источник производит одновременную пайку выводов с обеих сторон компонента Корпус компонента во время пайки удерживается манипулятором в положе­ нии его позиционирования Скорость перемещения платы и фокусировка луча регулируются средствами программирования Предназначена для работы в составе производственной линии . I L-18, фирма HTC-DynaPert Простая система для пайкн в ПГФ, используется в составе производствен­ ной линии Температура пайки 215 °С (420 °F) Туре II, фирма HTC-DyпaPert Простая система для пайки в ПГФ и волной припоя, используется в составе производственной линии . Пайка компонентов для поверхностного монтажа с лицевой стороны платы методами оплавления дозированного припоя Пайка волной традиционных и поверхностно монтируемых компонентов с: обратной стороыы Платы GBS Mark 111, фирма Hollis Модуль пайки двойной волной по заказу Предварительный нагрев с помощью кварцевых ламп Z-образная волна Дешунтирующий воздушный нож SPS, фирма Hollis Предварительный ИК-нагрев с обеих сторон платы Пайка двойной волной припоя традиционных и поверхностио монтируемых компонентов с обратной стороны платы (один модуль) Дешунтирующий нож со струей нагретого воздуха используется при иайке поверхностно монтируемых компонентов оплавлением дозированного припоя с: лицевой стороны платы (один модуль) Дешунтирующий нож со струей нагретого воздуха для удаления избытков припоя с обратной стороны платы Управляется микропроцессором REF, фирма Paпasonic Одновременная пайка оплавлением дозированного припоя при ИI<-нагреве с· · обеих сторон платы Может использоваться совместно с модулем для отверждения адrезива с: УФ-нагревом (модели UV) Предназначена для использования в составе производственной линии
SMD 6000, фирма RTC Шесть зон нагрева с индивидуальной регулировкой теunературы · Максима льная температура 600 °С ( 1112 °F) Пайка только с одной стороны платы (за один проход, если требуется) Система управления от ЭВМ, поставляется по заказу TFM-1, фирма Sanyo Пайка оплавлением дозированного припоя с ИК-нагревом Может использоваться для отверждения адгезнва и пайки оппаВJ1еиие11 дозированного припоя Предназначена для использования в составе производственной пинии Gemiпi 400 FM, фирма Seпsbey Предварительный подогрев с помощью горячего воздуха или излучения Содержит устройство для контроля массы припоя Установка для пайки двойной волной припоя содержит отдельные насосы. сопла и подогреватели Дешунтнрующий воздушный нож Управление от ЭВМ, обеспечивается по sахазу RF 400, фирма TDK Пайка оплавлением дозированного припоя с помощью ИК-нагрева Может использоваться как термическая печь для отверждения адгезива пи~ бо как установка для пайки раСПJiавлением дозированного припоя Предназначена для использования в составе производственной линии 700 CCS, фирма Treiber Модуль для пайки двойной волной, поставляется по заказу Т-образная волна Дешунтирующий воздушный нож, поставляется по заказу Управление от ЭВМ · Maxi, фирма Universal-Soltec Подогреватель калориферного типа Сопла для пайки поверхностно монтируемых компонентов, поставляются по заказу , Дешунтнрующий воздушный нож, поставляется по заказу Система управления от ЭВМ, постаВJ)Яется по заказу SMD 700, фирма Vitroпics ' Пайка опл авл ением дозированного припоя с обеих сторон платы ИК-нагрев с применением панельных излучателей Максимальная температура 550 °С ( 1022 °F) Управление от ЭВМ MPS 300, фирма Zeva troп - ! Модуль пайки двойной волной, поставляется по заказу Предварител ьный подогрев с помощью ИК-излучения либо кварцевых памп (УФ-нагрев) Система управления от ЭВМ, поставляется по заказу
Паitка 229 (для традиционного и поверхностного монтажа) как с простой, <J"ак и со сложной конструкцией корпусов. · Фирма Hollis предлагает широкий выбор установок для пай­ ки с управлением от ЭВМ. Установка комбинированного типа 1~ '' 11 модели SPS позволяет производить пайку двойной волной при- 1 поя смешанного набора компонентов, расположенных на обрат- ·1 ной стороне платы, и пайку расплавлением дозированного при- , 1 поя компонентов на поверхности лицевой стороны платы. В установке применены специальные приспособления (подобия дешунтирующего воздушного ножа), подающие горячий воздух для расплавления дозированного припоя и пайки компонентов, распо.rrоженных на лицевой стороне платы. Фирма Sensbey до недавнего времени была единственным японским изготовителем, активно поставляющим оборудование на рынок США; она представляет в США интересы компании Nihon Deп-Netsu Keiki. Установки для пайки, изготавливаемые этой фирмой и разработанные в расчете на микросборки со смешанно-разнесенным монтажом, получили в Японии самое широкое распространение, а именно: с традиционными (устанав­ ливаемыми в отверстия платы) компонентами на лицевой и пассивными поверхностно монтируемыми компонентами на об­ ратной стороне платы. Ведущие японские фирмы - поставщики оборудования для позиционирования компонентов, предлагая полностью укомплек­ тованные сборочно-монтажные линии, тем самым затрагивают и рынок оборудования для пайки. В специальном оборудовании для термической обработки (термических печах) производства фирм Panasonic, Sanyo и TDK используется энергия излучения различных источников; при этом обеспечивается выполнение не только процесса отверждения адгезива (с помощью ультрафио­ летовых ламп), но и процесса пайки (с помощью источников ИК-излучения). До недавнего времени пайка в парогазовой фазе была неизвестна в Японии, а распространенным методом пайки расплавлением дозированного припоя для коммутационных плат в ТПМК была пайка с ИК-нагревом. Фирма Fuji является един­ ственным поставщиком установок лазерной пайки термочувст­ вительных компонентов. Японские установки пайки разработа­ ны с учетом возможности их функционирования в составе про­ изводственной системы при автоматической регулировке {;КОрости движения транспортера с коммутационными платами. Фирмы RTC и Vitronics специализируются в производстве установок для пайки с ИК-нагревом. В установках фирмы RTC используются ИК-лампы и перенос тепловой энергии осуществ­ .11яется излучением. Установки фирмы Vitronics оборудованы панельными излучателями, а перенос тепла в них производится · как за счет конвекции, так и за счет излучения.
230 Гnвва 8 Фирма Treiber поставляет установки для пайки · волной п двойной волной припоя. Недавно разработанная этой фирмой установка пайки (модели 700 CCS) · управляется от ЭВМ по не­ сложной программе. Фирма Universal выпускает полный набор установок пайки волной припоя, предназначенных для работы в составе сбороч­ но-монтажной линии производства этой же фирмы. Universal поставляет также оборудование для очистки смонтированных плат после пайки. Установки пайки волной и двойной волной припоя производ­ ства фирмы Zevatron можно оснащать устройствами для обрезки и формовки выводов и доукомплектовывать оборудованием для очистки. Zevatron - один из немногих европейских производите- лей, представляющих свое оборудование на рынке США. · ВЫБОР ПРИПОйНОй ПАСТЫ Припайные пасты, использовавшиеся ране е в производстве гибридных микросборок, были значительно улучшены примени­ тельно к технике поверхностного монтажа. Однако при разра­ ботке высоконадежного и экономически эффективного процесса изготовления и зделий инженер-технолог должен выбрать при­ пойную пасту с характеристиками, оптимально удовлетворяю­ щими требованиям технологии производства конкретного изде­ лия. ' Характеристики припайных паст в первую очередI,> опреде­ .ТJ яются их составом. Состав припайных паст . Припойные пасты, как правило, представляют собой смесь мелкодисперсного порошка материала припоя со связующей жидкой основой; при э том содержание порошка припоя составляет приблизительно 88% от веса всей смеси (обычно э тот показатель меняется в пределах от 85 до 92 %). Однако чаще всего состав припайных паст выражают через соотношение ингредиентов материала припоя. Так, на­ пример, 63/37 означает содержание в составе материала припоя 63 % олова и 37 % свинца, а 62/36/2 - 62 % олова, 36 % свинца и 2 % серебра. Хотя оба этих состава довольно часто исполь­ зуются для приготовления припайных паст в ТПМК, существуют некоторые опасения, что присутствие в составе припоя добавки серебра способствует ускорению процесса выщелачивания сереб­ ра, входящего в состав материала выводов компонентов для поверхностного монтажа. Характеристики частиц в припайных пастах. Характеристики частиц материала припоя в припайной пасте оказывают сущест- · венное влияние иа качество паяного соединения. Наиболее
Паiiка 231 важным параметром, характеризующим припайный материад, явдяется размер частиц припоя, который выражается в мешах (единицах измерений при классификации номеров сит). Так, .: ._ _200/ + 325 означает припайную пасту, частицы которой прохо­ дят через сито номер 200, но не проходят через сито номер 325 после предварительного удаления крупнодисперсных частиц, ·т. е. их размер лежит в диапазоне 44-74 мкм. Если припайная паста наносится на коммутационную плату методом трафарет­ ной печати, рекомендуется применять припайную пасту, у кото­ рой максимальный размер частиц припоя составляет половину размера ячейки трафарета. Форма частиц материала припоя также оказывает сущест­ венное влияние на процесс трафаретной печати; считается, на­ ·пример, что использование в составе паст частиц припоя сфери­ ческой формы облегчает процесс трафаретной печати, в то время как наличие частиц другой, отличной от сферической, формы может способствовать появлению загрязнений (например, тра­ фарета), затрудняющих процесс печати. Частицы неправильной формы могут, кроме того, способствовать ускорению процессов окисления материалов припоя. Пульверизация расплавленного припоя, с помощью которой наиболее просто получить порошко­ образные припои, образует частицы преимущественно сфериче­ ской формы. Использование паст со сферическими частицами припоя позволило достичь требуемую воспроизводимость техно­ логического процесса от одной партии изделий к другой при формировании рисунка припайной пасты. Свойства флюсов. Флюс в составе припайных паст служит не только для активации контактируемых металлических поверх­ ностей, удаления с них окислов и предотвращения окисления припоя в процессе пайки (что необходимо для создания паяного соединения), но и обеспечивает требуемую растекаемость (рео­ .'Iогию), а также изменение вязкости со временем (тиксотроп­ ность) при нанесении припайной пасты на коммутационную пла­ ту. Если состав припайной пасты имеет недостаточную вязкость, она будет раст.екаться, или «расползаться», что, несомненно, приведет к потере точности рисунка, обеспечиваемой трафаре­ том, а это в свою очередь может послужить причиной образова­ ния шариков припоя или перемычек в процессе пайки. Кроме того, количество припайной пасты, нанесенной на плату, в ряде мест может оказаться недостаточным из-за ее растекания по плате. Для уменьшения растекания припайной пасты можно уве­ личить процентное содержание в ней порошка припоя. Можно также изменить химический состав флюса путем введения в него · сI1ециальных вяжущих добавок (загустителей), но здесь нужно '1'
232 rnaaa 8 соблюдать меру, ибо в противном случае может произойти за- .. · купорка сопла дозатора или ячеек трафарета. Флюс должен удалять окислы с контактируемых металличе­ ских поверхностей при пайке. Для эффективного протекания этого процесса очень важно правильно выбрать необходимый температурно-временной режим*> пайки. Если во время разогре­ ва платы температура повышается слишком быстро, то раство- ритель, входящий в припайную пасту в составе флюса, сразу испаряется, что Гiриводит к потере активности флюса и разло­ жению или выгоранию его компонентов; при этом расплавление припоя осуществляется неравномерно, а ·процесс пайки-не­ предсказуемо. Если же нагревательный цикл завершен прежде­ :временно, то окислы в местах паяных соединений могут быть не полностью удалены. Формирование слоя припайной пасты рекомендуется производить в химически инертной атмосфере (для избежания окисления припоя). Некоторые сборочно-мон- ·тажные системы разработаны с учетом этой возможности. Общие замечания. Используемая припайная паста должна быть пригодна для реализации выбранного способа пайки, на­ пример в ПГФ либо с ИК-нагревом. Кроме того, паста должна быть совместима с остальными операциями технологического цикла. Пока еще трудно утверждать, нужна ли просушка при­ пайной пасты после ее нанесения на плату с целью предотвра­ щения быстрого испарения растворителя во время пайки и. соответственно, исключения вероятности искажения заданного · 1 рисунка припайного слоя. Просушка, несомненно, эффективна еще и с точки зрения улучшения фиксации компонентов, по , крайней мере на период транспортировки собранной платы в зону пайки. И вместе с тем, если просушка паст применяется. то нужно принять соответствующие меры для предотвращения окисления припайного материала. При этом исправление брака .и удаление припайной пасты существенно усложняются. Промежуток времени между нанесением припайной пасты на коммутационную плату и процессом пайки является еще од­ ним фактором, который нужно учитывать при выборе пасты; длительный промежуток времени может привести к ухудшению электрофизических параметров пасты. Припайная паста не ДОJI­ жна ухудшать свои параметры не только в условиях термообра­ ботки при повышенной температуре, но и в условиях цикличе­ ского во з действия температуры, которым подвергается плата как в процессе пайки, так и на других этапах изготовления изделия. * В этом случае может применяться термин стемпературный профиль:.. который следует понимать как графическую зависимость, отражающую харак­ тер изменения температуры от времени процесса пайки. -Прим. перев. !.j .J '-~ '
naiiкa 2за Таблица 8.5 . Вещества, загрязняющие подложку*> Загрязняющее вещество Органические соединения Неорганические нерастворимые со­ единения Оргаио:vrеталлические соединения Неорганические растворимые соеди­ нения От дельные частицы *) С разрешения Signetics. Основной источник загрязнения Флюсы, трафарет для нанесения при­ пайной пасты Фоторезисты, обработка платы Флюсы, обработка платы Флюсы · Пыль, отпечатки пальцев (вносятся извне) В дополнение к этому припайная паста должна быть стойкой к воздействию химических реактивов, используемых в ТПМК, особенно во время очистки смонтированных плат, в процессе которой применяются органические растворители на основе хло­ ра и фтора, а также вода. Несомненно, припайная паста должна быть совместима с материалами коммутационной платы, а так­ же с технологическими процессами, в которых она участвует. Распространенными материалами выводов или внешних контак­ тов электронных компонентов являются золото, серебро, палла­ дий - серебро, медь, а также луженая медь, и припайная паста должна выбираться таким образом, чтобы исключить выщелачи­ вание этих материалов в местах пайки и повысить надежность паяного соединения. ОЧИСТКА ПЛд Т ПОСЛЕ ПА ЯКИ Обычная коммутационная плата для ТПМК содержит много внутренних полостей (в том числе и под компонентами), имею­ щих выход на поверхность через узкие вертикальные зазоры между компонентами или их выводами. Если не принимать спе­ циальных мер, эти полости способны удерживать продукты разложения флюса и другие загрязнения (табл. 8.5), которые могут стать источниками коррозии или, в дальнейшем, причиной проникновения внутрь корпусов компонентов веществ, включаю­ щих полярные соединения, вызывающие повышенные токи утеч­ ки. Существенно и то, что усиленные попытки очистить плату, например с помощью органических растворителей, сами по себе могут вызвать механические повреждения или коррозию. Как правило, загрязнения бывают либо полярными (ионы каких-либо соединений), либо неполярными (не имеющими ярко выраженного ионного характера). Свободные ионы, особенно 16-1533 1i 11 1 11
234 Гnввв 1 высоко электроотрицательные, т а кие, как ионы галоидов (хлори­ дов или фторидов), обладающие высокой химической активно­ стью, быстро вступают в реакцию с металло м коммутационных дорожек, что вызывает процессы коррозии . Неполярные з агря з ­ нения, хот я и обладают меньшей активностью, тем не менее ухудшают адгезию припоя, свойств а конфор м ного (защитного) покрытия и электрический контакт для функционального испы­ тания м икросбор к и. В последни х св оих публикация х Дэ вид С. Лермонд, исследователь, работающий в корпорации Dupont, отмечает, что преры в ания технологического. цикла могут выз­ вать серьез ные осложнения. Так, даже 30-минутная задержка между оплавлением припоя и очисткой существенно увеличивает объем последней. Органичес кие растворители в соответствии с их очистной спо­ собностью можно ра з делить на три группы . · • Гидрофобные (не смешивающиеся с водой, используются для растворени я органических загрязнений, например канифоли и жиров, и, в не з начительной степени, полярных загрязнений) . • Гидрофильные (с м ешивающиеся с водой, растворяют поляр­ ные и неполярные соединения, причем последние в меньшей степени, чем гидрофобные растворители). • Азеотропные растворители, представляющие собой в осно в ­ ном смесь вышеуказанных типов растворителей. В их сост ав обязательно входят такие ингредиенты, как фреон-113 или тетрахлордифторэтан, с добавк а ми спиртов и стабилизирую­ щих ингредиентов . Очистка и з делий с применением раст ворителей может быть реа .1и з ована несколькими способ а ми : погружением смонтиро­ ванных плат в ванну с растворителем, равномерным по полю пл ат ы или направленным в виде струй опрыскиванием, либо комбинацией обоих методо в . Может также применяться ульт­ ра зв уковое перемешивание при очистке плат в ванне с раство- рит елем. - На эффективность очистки может повлиять ряд факторов, в том числе следующие: • Расположение компонентов. l(омпоненты должны распола­ гаться на некотором расстоянии от любого сквозного мета л ­ лизиро в анного отверстия, поскольку в него могут попасть проду кты ра з ложения флюса. Расстояние между коммут а ­ ционными дорожками на п л ате должно быть, по м ере во з ­ можности, ма к симальным, чтобы облегчить доступ раствори­ теля ко все м местам на плате. Компоненты должны разме­ щаться на поверхности платы таким образом, чтобы их корпуса не загораживали друг друга при движении пото к а растворител я. Прерывания движения платы и остановки во 1
Паiiка 235 вр,емя пайки волной припоя должны быть сведены к мини­ муму, чтобы флюс нигде не задерживался в полостях платы. • Процесс очистки. Если используются чувствительные компо­ ненты, рекомендуется обрабатывать микросборки в потоке растворителя. При этом необходимо обеспечить максималь­ ную однородность потока растворителя, а интервал времени между пайкой и очисткой уменьшить до минимума. Конформное покрытие*) плат в ТПМК становится все более распространенным ·даже для изделий невоенных применений. Оно образует противовлажностную защиту для коммутационных дорожек, паяных соединений и компонентов. Дополнительным достоинством этого покрытия я.вляется защита от пыли и других загрязнений. Покрытие может наноситься только на идеально чистую поверхность, так как наличие загрязнений на плате способствует образованию больших и малых пузырьков в покры­ тии, что неизбежно приводит к вспучиванию и в дальнейшем к отслоению покрытия. ЭЛЕКТРОПРОВОДЯЩИЕ ЭПОКСИДНЫЕ КЛЕИ Весьма вероятно, что в течение следующих десяти лет пайка волной припоя или расплавлением дозированого припоя в ТПМК будет применяться значительно меньше, чем в настоящее время. Альтернативой является технология получения электрических соединений, основанная на использовании электропроводящих эпоксидных клеев**). Эти клеи в с