Технология изготовления печатных плат

 

5.2. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ        

Электрический контроль - важная часть  производства печатных плат. Он предназначен для проверки целостности - разобщения печатных плат, что включает в себя проверку на обрыв цепи, короткое замыкание, правильность топологии.

      В основе электрического контроля лежит  наличие в системе "зонд-проводник  платы-зонд" или "зонд-проводник платы-компонент-проводник платы-зонд" контакта. Наличие проводимости в платах обусловлено взаимным расположением цепей и их целостностью в топологии плат.

 

Особенностью современного производства электронных устройств является все более широкое применение больших и сверхбольших интегральных схем (БИС и СБИС). При этом существенно  возрастает количество выводов каждой схемы, расстояния между выводами уменьшаются  с 2,5 мм до0,625 мм и менее.

Установка многовыводных корпусов БИС И СБИС на печатные платы технически и экономически более эффективна не в сквозные отверстия, а на контактные площадки, расположенные на поверхности  печатных плат.

Этим объясняется все боле широкий  переход от монтажа компонентов  в отверстия (PTH - Plated Through Hole) к технологии поверхностного монтажа (SMT - Surface Mount Technology).

Вместе с тем, в в настоящее время в большинстве серийных электронных блоков применяют как поверхностный монтаж, так и монтаж в отверстия. Это связано с тем, что конструкции ряда компонентов не пригодны для поверхностного монтажа. Кроме того, в устройствах, работающих в условиях ударных и вибрационных перегрузок, предпочитают монтаж в отверстия из-за более надежного крепления компонентов.

6.1. Типы SMT сборок

(Surface-Mount Technology - технология поверхностного монтажа)

В электронной промышленности существует шесть общих типов SMT сборки, каждому  из которых соответствует свой порядок  производства. Когда разработчик  выбирает тип сборки, его целью  должна быть минимизация числа операций, так как каждая операция может  увеличивать промышленную стоимость. Существует специальный стандарт, в  котором представлены основные виды сборок, разбитые по классам.

SMC и IPC документация по поверхностному  монтажу на платы, IPC-7070, J-STD-013 и  National Technology Roadmap for Electronic Interconnections включают следующие классификацию следующих схемы поверхностного монтажа:

·                Тип 1 - монтируемые компоненты установлены только на верхнюю сторону или interconnecting structure

·                Тип 2 - монтируемые компоненты установлены на обе стороны платы или interconnecting structure

·                Класс А - только through-hole (монтируемые в отверстия) компоненты

·                Класс В - только поверхностно монтируемые компоненты (SMD)

·                Класс С - смешанная: монтируемые в отверстия и поверхностно монтируемы компоненты

·                Класс Х - комплексно-смешанная сборка: through-hole, SMD, fine pitch, BGA

·                Класс Y - комплексно-смешанная сборка: through-hole, surface mount, Ultra fine pitch, CSP

·                Класс Z - комплексно-смешанная сборка: through-hole, Ultra fine pitch, COB, Flip Chip, TCP

Операции используемы при различных  типах сборки:

·                Нанесение пасты и установка SMT компонентов на верхнюю сторону платы.

·                Нанесение пасты и установка SMT на нижнюю сторону платы.

·                Нанесение клея и установка SMT компонентов на нижнюю сторону платы с последующем его высыханием.

·                Автоматическая установка DIP компонентов.

·                Автоматическая установка координатных компонентов (такие как светодиоды и т.п.).

·                Ручная установка других компонентов.

·                Пайка волной или пайка инфракрасным излучением.

·                Промывка плат.

·                Ручная пайка компонентов.

Ниже будут рассмотрены основные варианты размещения компонентов на плате, применяемые разработчиками. Варианты, где используются корпуса  компонентов типа: Ultra fine pitch, COB, Flip Chip, TCP пока не рассматриваются, так как российскими разработчиками печатных плат они почти не используются.

Тип 1В: SMT Только верхняя сторона

Этот тип не является общим так как большинство разработок требует некоторых DIP компонентов. Его называют IPC Type 1B.

Порядок проведения процесса:

·                нанесение припойной пасты, установка компонентов, пайка, промывка.

Тип 2B: SMT Верхние и нижние стороны

На нижней стороне платы размещаются  чип-резисторы и другие компоненты небольших размеров. При использовании пайки волной, они будут повторно оплавляться за счет верхнего (побочного) потока волны припоя. При размещение больших компонентов с обеих сторон, типа PLCC, увеличивают издержки производства, потому что компоненты нижней стороны должны устанавливаться на специальный токопроводящий клей. Данный тип называется IPC Type 2B.

Порядок проведения процесса:

·                нанесение припойной пасты, установка компонентов, пайка, промывка нижней стороны;

·                нанесение припойной пасты на верхнюю сторону печатной платы, установка компонентов, повторная пайка, промывка верхней стороны.

Специальный тип: SMT верхняя  сторона в первом случае и верхняя  и нижняя во втором, но PTH только верхняя  сторона.

Этот метод установки используется, когда имеются DIP компоненты, в SMT сборке. Процесс включает размещение DIP компонентов, вставляемых в отверстия перед SMT пайкой. При использовании данного метода убирается лишняя операция пайки волной или ручной пайки PTH компонентов, что значительно уменьшает стоимость изделия. Первое требование - способность компонентов противостоять вторичной пайки. Кроме того, размеры отверстия платы, контактные площадки и геометрия трафарета должны быть точно совмещены, чтобы достичь качественной спайки. Плата должна иметь сквозные металлизированные отверстия и может быть односторонней или двухсторонний, то есть компоненты могут размещаться как с верхней так и с нижней стороны.

Обязательным требованием при  использовании данного метода является наличие сквозных металлизированных  отверстий.

Порядок обработки односторонней  печатной платы:

·                нанесение припойной пасты, установка SMT компонентов, установка PTH компонентов, пайка, промывка верхней стороны.

Порядок обработки двухсторонней  печатной платы:

·                нанесение припойной пасты, установка SMT компонентов, повторное оплавление, промывка нижней стороны;

·                установка PTH компонентов, пайка, промывка верхней стороны.

Тип 1С: SMT только верхняя  сторона и PTH только верхняя сторона

Данный метод является смешанной  технологией сборки. Все модули SMT и PTH установлены на верхней стороне  платы. Допускается установка некоторых  компонентов монтируемых в отверстия (PTH) на верхней стороне платы, где размещены SMT компоненты для увеличения плотности. Данный тип сборки называется IPC Type 1C.

Порядок проведения процесса:

·                нанесение припойной пасты, установка, оплавление, промывка верхней части SMT;

·                автоматическая установка DIP, затем осевых компонентов (такие как светодиоды);

·                ручная установка других компонентов ;

·                пайка волной PTH компонентов, промывка.

Тип 2С: SMT верхняя и нижняя стороны или PTH на верхней и нижней стороне

Установка поверхностно монтируемых  и монтируемых в отверстия (DIP) компонентов с обеих сторон платы  не рекомендуется из-за высокой стоимости  сборки. Эта разработка может требовать  большого объема ручной пайки. Также  не применяется автоматическая установка PTH компонентов из-за возможных конфликтов с SMT компонентами на нижней стороне  платы. Данный тип сборки называется IPC Type 2C.

Порядок проведения процесса:

·                нанесение припойной пасты, установка, пайка, промывка верхней стороны SMT;

·                нанесение специального токопроводящего клея через трафарет, установка, фиксация SMT;

·                автоматическая установка DIP и осевых компоненты;

·                маскирование всей нижней стороны PTH компонентов;

·                ручная установка других компонентов;

·                пайка волной PTH и SMT компонентов, промывка;

·                ручная пайка нижней стороны PTH компонентов.

Тип 2C: SMT только нижняя сторона  или PTH только верхняя

Данный тип предполагает размещение поверхностного крепления с нижней стороны платы и PTH на верхней  стороне. Он также является одним  из очень популярных видов размещения, т.к. позволяет значительно увеличить  плотность размещения компонентов. Тип имеет название IPC Type 2C.

Порядок обработки (PTH конфликтов на нижней стороне нет):

·                нанесения клея через трафарет, установка, высыхания клея на нижней стороны SMT;

·                автоматическая установка DIP, затем осевых компонентов;

·                ручная установка других компонентов;

·                пайка волной PTH и SMT компонентов, промывка.

Альтернативный порядок обработки (PTH конфликтов на нижней стороне):

·                автоматическая установка DIP, затем осевых компонентов;

·                точечное нанесение клея (диспенсорный метод), установка, высыхания клея на нижней стороны SMT;

·                ручная установка компонентов;

·                пайка волной PTH и SMT компонентов, промывка.

Тип 2Y: SMT верхняя и нижняя стороны или PTH только на верхней  стороне

Данный тип позволяет располагать  поверхностно монтируемые компоненты с обеих сторон платы, а DIP компоненты только на верхней. Это очень популярный вид сборки у разработчиков, позволяющий разместить компоненты с высокой плотность. Нижняя сторона SMT компонентов остается свободной от осевых элементов и ножек DIP компонентов. Например, нельзя размещать микросхемы между ножками DIP компонента.

Порядок проведения процесса (без  размещения поверхностно монтируемых (SMT) между ножками монтируемых  в отверстия (PTH) компонентов на нижней стороне платы):

·                нанесение припойной пасты, установка, пайка, промывка верхней стороны части SMT;

·                нанесение клея через трафарет, размещение, высыхание клея SMT на нижней стороне;

·                автоматическая установка DIP, а затем осевых компонентов;

·                ручная установка других компонентов;

·                пайка волной PTH и SMT компонентов, промывка;

Альтернативный порядок проведения процесса (на нижней стороне платы  поверхностно монтируемых (SMT) компоненты размещены между ножек монтируемых в отверстия (PTH)):

·                нанесение припойной пасты, размещение, пайка, промывка верхней стороны части SMT;

·                автоматическая установка DIP, затем осевых компонентов;

·                точечное нанесение клея (диспенсорным методом), установка, высыхание клея на нижней стороны платы;

·                ручная установка других компонентов;

·                пайка волной PTH и SMT компонентов, промывка.

Технологический маршрут сборки печатных плат выглядит так.

 

6.2. Нанесение припойной  пасты

Для крепления компонентов на печатную плату используются как метод  нанесения припойной пасты, так  и метод проводящих адгезивов. Метод нанесения припойной пасты - это наиболее широко используемый метод установки компонентов. Проводящий адгезив сейчас не используется широко в массовом производстве, хотя он используется в изготовлении товаров общего потребления. В методе нанесения припойной пасты наносится непосредственно на контактные площадки печатной платы. Каждый из методов требует своих специальных приспособлений и материалов.

Выбор припойной пасты

Припойные пасты, использовавшиеся ранее  в производстве гибридных микросборок, были значительно улучшены применительно  к технике поверхностного монтажа. Однако при разработке высоконадежного  и экономически эффективного процесса изготовления изделий инженер-технолог должен выбрать припойную пасту  с характеристиками, оптимально удовлетворяющими требованиям технологии производства конкретного изделия.

Характеристики припойных паст в первую очередь определяются их составом.

Состав припойных паст.

Припойные пасты, как правило, представляют собой смесь мелкодисперсного порошка  материала припоя со связующей жидкой основой; при этом содержание порошка  припоя составляет приблизительно 88 % от веса всей смеси (обычно этот показатель меняется в пределах от 85 до 92 %). Однако чаще всего состав припойных паст выражают через соотношение ингредиентов материала припоя. Так, например, 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 используются для приготовления припойных  паст в ТПМК, существуют некоторые  опасения, что присутствие в составе  припоя добавки серебра способствует ускорению процесса выщелачивания  серебра, входящего в состав материала  выводов компонентов для поверхностного монтажа.

Характеристики частиц в припойных пастах.

Характеристики частиц материала  припоя в припойной пасте оказывают  существенное влияние на качество паяного  соединения. Наиболее важным параметром, характеризующим припойный материал, является размер частиц припоя, который  выражается в мешах (единицах измерений  при классификации номеров сит). Так, 200/+325 означает припойную пасту, частицы которой проходят 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 припойная паста наносится на коммутационную плату методом трафаретной печати, рекомендуется применять припойную пасту, у которой максимальный размер частиц припоя составляет половину размера ячейки трафарета.

Форма частиц материала припоя также  оказывает существенное влияние  на процесс трафаретной печати; считается, например, что использование в  составе паст частиц припоя сферической  формы облегчает процесс трафаретной  печати, в то время как наличие  частиц другой, отличной от сферической, формы может способствовать появлению  загрязнений (например, трафарета), затрудняющих процесс печати. Частицы неправильной формы могут, кроме того, способствовать ускорению процессов окисления  материалов припоя. Пульверизация расплавленного припоя, с помощью которой наиболее просто получить порошкообразные припои, образует частицы преимущественно  сферической формы. Использование  паст со сферическими частицами припоя позволило достичь требуемую воспроизводимость технологического процесса от одной партии изделий к другой при формировании рисунка припойной пасты.