Технология изготовления печатных плат

Свойства флюсов.

Флюс в составе припойных  паст служит не только для активации  контактируемых металлических поверхностей, удаления с них окислов и предотвращения окисления припоя в процессе пайки (что необходимо для создания паяного  соединения), но и обеспечивает требуемую  растекаемость (реологию), а также изменение вязкости со временем (тиксотропность) при нанесении припойной пасты на коммутационную плату. Если состав припойной пасты имеет недостаточную вязкость, она будет растекаться, или "расползаться", что, несомненно, приведет к потере точности рисунка, обеспечиваемой трафаретом, а это в свою очередь может послужить причиной образования шариков припоя или перемычек в процессе пайки. Кроме того, количество припойной пасты, нанесенной на плату, в ряде мест может оказаться недостаточным из-за ее растекания по плате.

Для уменьшения растекания припойной  пасты можно увеличить процентное содержание в ней порошка припоя. Можно также изменить химический состав флюса путем введения в  него специальных вяжущих добавок (загустителей), но здесь нужно соблюдать  меру, ибо в противном случае может  произойти закупорка сопла дозатора или ячеек трафарета.

Флюс должен удалять окислы с  контактируемых металлических поверхностей при пайке. Для эффективного протекания этого процесса очень важно правильно выбрать необходимый температурно-временной режим) пайки. Если во время разогрева платы температура повышается слишком быстро, то растворитель, входящий в припойную пасту в составе флюса, сразу испаряется, что приводит к потере активности флюса и разложению или выгоранию его компонентов; при этом расплавление припоя осуществляется неравномерно, а процесс пайки - непредсказуемо. Если же нагревательный цикл завершен преждевременно, то окислы в местах паяных соединений могут быть не полностью удалены. Формирование слоя припойной пасты рекомендуется производить в химически инертной атмосфере (для избежания окисления припоя). Некоторые сборочно-монтажные системы разработаны с учетом этой возможности.

Общие замечания.

Используемая припойная паста  должна быть пригодна для реализации выбранного способа пайки, например в ПГФ либо с ИК-нагревом. Кроме того, паста должна быть совместима с остальными операциями технологического цикла. Пока еще трудно утверждать, нужна ли просушка припойной пасты после ее нанесения на плату с целью предотвращения быстрого испарения растворителя во время пайки и, соответственно, исключения вероятности искажения заданного рисунка припойного 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 припойного материала. При этом исправление брака и удаление припойной пасты существенно усложняются.

Промежуток времени между нанесением припойной пасты на коммутационную плату и процессом пайки является еще одним фактором, который нужно  учитывать при выборе пасты; длительный промежуток времени может привести к ухудшению электрофизических  параметров пасты. Припойная паста  не должна ухудшать свои параметры  не только в условиях термообработки при повышенной температуре, но и  в условиях циклического воздействия  температуры, которым подвергается плата как в процессе пайки, так и на других этапах изготовления изделия.

В дополнение к этому припойная  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 хлора и фтора, а также  вода. Несомненно, припойная паста  должна быть совместима с материалами  коммутационной платы, а также с  технологическими процессами, в которых  она участвует. Распространенными  материалами выводов или внешних  контактов электронных компонентов  являются золото, серебро, палладий-серебро, медь, а также луженая медь, и  припойная паста должна выбираться таким образом, чтобы исключить  выщелачивание этих материалов в  местах пайки и повысить надежность паяного соединения.

Трафаретный метод нанесения  припойной пасты.

 
Наиболее важным в массовом производстве печатных плат, является метод трафаретного нанесения припойной пасты, в  котором паста продавливается через  трафарет (окна) на контактные площадки печатной платы. Припойная паста  уже содержит в себе и припой, и флюс, а их пропорция одна из важных характеристик пасты. Материалом трафарета может быть как сплав  никеля, так и нержавеющая сталь. Отверстия в трафарете обычно прорезаются лазером или протравливаются.  
В массовом производстве этот метод эффективен, но относительно не гибок, так как свой собственный трафарет (причем несколько) требуется для каждой платы. Гибкость достигается только за счет быстрой смены трафарета и автоматического распределения пасты. Основные этапы этого метода показаны на рисунке.  
При проведении скребком по поверхности трафарета припойная паста продавливается сквозь отверстия в трафарете на контактные площадки. Наиболее важной фазой этого процесса является продвижение пасты вдоль поверхности трафарета, она должна продвигаться с правильной силой, углом и скоростью. Трафарет и скребок должны быть чистыми и паста должна иметь строго определенные характеристики для этой силы, угла и скорости. Ошибки в этих параметрах приводят к плохим характеристикам пайки, такие как непропай и другие. Практика показывает, что больше половины ошибок всего процесса сборки печатных плат приходятся именно на процесс нанесения припойной пасты. Преимуществом метода трафаретного нанесения припойной пасты является то, что паста может быть нанесена слоем до 300 мкм с очень высокой точностью. Также трафарет позволяет наносить пасту толщиной до 0,65 мм.

Диспенсорный метод нанесения припойной пасты

Довольно часто встречающимся  методом нанесения припойной  пасты, применяемым в штучном  и мелкосерийном производстве, является диспенсорный метод, в котором используется диспенсер - шприц. На рисунке показано: 1 - крышка; 2 - давящий воздух; 3 - поршень; 4 - припойная паста; 5 - цилиндр; 6 - сопло; 7 - контактная площадка. Автоматическая дозировка осуществляется в соответствии с данными САПР при помощи сжатого воздуха. Паста поступает в виде "капель" непосредственно на контактные площадки печатной платы. Преимуществом диспенсорного метода является высокая гибкость его применения. Этим методом можно наносить пасту на контактные площадки толщиной от 0,75 мм.

 

6.3. Установка компонентов  на плату

Традиционные компоненты, монтируемые  в отверстия были наиболее узким местом в процессе установки их на печатную плату, поскольку практически полностью исключали возможность автоматизации процесса.  
Огромная экономия достигается внедрением технологии поверхностного монтажа в процессе установки компонентов. Гораздо проще и быстрее автоматизировать процесс установки поверхностно монтируемых компонентов, чем монтаж традиционных компонентов. Автоматизация процесса установки поверхностно монтируемых компонентов стала возможной, благодаря их корпусной структуре - CHIP структуре и, следовательно, поэтому нет необходимости устанавливать компоненты в отверстия на печатной плате. Также надо сказать об автоматизации этого процесса, что большинство автоматических машин для установки компонентов, могу устанавливать все типы SMD компонентов.

Автоматическая установка  компонентов

Машины для автоматической установки  работают по трем основным принципам: поочередная, поочередно-одновременная  и одновременная установка компонентов. В аппаратах поочередной установки  один компонент все время устанавливается  одной или двумя установочными  головками. Поочередная установка, также может проводиться при  помощи револьверной головки. В поочередно-одновременной  установке несколько компонентов  может быть установлено одновременно. Установочные машины одновременного типа, устанавливают все или возможно-большее  количество компонентов за один раз.  
Поочередные и поочередно-одновременные машины, также называются последовательными и их основное преимущество в гибкости настройки. Если машина поочередной установки оснащена револьверной головкой, скорость установки компонентов на печатную плату значительно возрастает. Эти машины могут устанавливать компоненты нескольких типов. Место установки компонента может быть легко изменено, а точность установки достаточно высока. 
Машины одновременной установки компонентов значительно производительней. Скорость установки компонентов может достигать 300000 компонентов в час, однако эти машины не так просты и гибки в настройке. Если для изменения места установки компонента в машинах поочередного и поочередно-одновременного типа достаточно изменить программы, то для машины одновременной установки требуются значительные ложные механические изменения. Поэтому, эти машины используются, в основном, для особо больших партий изделий.

Ручная установка компонентов

Поверхностно монтируемые компоненты могут устанавливаться как в  ручную, так и механически. Ручная установка SMD компонентов проще, чем установка компонентов монтируемых в отверстия. Небольшие размеры и маленькое расстояние между проводниками вводит, однако, некоторые требования к рабочему инструменту и рабочей атмосфере. Чаще всего, эти компоненты устанавливаются на печатную плату при помощи вакуумного пинцета, использование различных насадок пинцета позволяет устанавливать компоненты практически всех типов. Ручная установка вакуумным пинцетом нуждается в специальной технической поддержке, чтобы компоненты были установлены правильно и точно на контактные площадки печатной платы. Это и ограничивает производительность ручной установки до порядка 500 компонентов в час.

6.4. Поверхностно монтируемые  компоненты

 
 

Для PTH и SMT разработок выбор компонентов  влияет на стоимость изделия, и время  его изготовления. В процесс разработки любой печатной платы должно входить  помимо проектирования принципиальной электросхемы, также проблемы выбора компонентов, их совместимости друг с другом, стоимость (как компонентов, так и процесса их установки) и ремонтопригодность всей платы.

На данный момент широкое применение получили только две технологии монтажа  компонентов на печатные платы, это PTH (Pin - Through - Hole) и SMT ( Surface - Mount - Technology). У каждой из этих технологий есть свои достоинства и недостатки.

Использование SMD компонентов вместо традиционных, монтируемых в отверстия, позволило заметно сэкономить в  месте, значительно понизить стоимость  затрат на установку, тестирование сами Чип-компоненты. Основными ЧИП-компонентами являются ЧИП и MELF  резисторы, использование в которых полимерных резисторов недопустимо, по параметрам точности, шуму или стабильности. ЧИП-конденсаторы заменили крупногабаритные конденсаторы, монтируемые в отверстия.

Преимущества SMT:

·                Меньшие размеры компонентов приводят к уменьшению размеров плат, что уменьшает себестоимость. Типичное SMT преобразование уменьшает пространство на плате до 30 % размера за счет отсутствия отверстий.

·                Большее количество функциональных возможностей для размера платы.

·                Компоненты могут легко размещаться с обеих сторон p.c. плата, что увеличивает плотность размещения.

·                Меньший размер изделия и вес могут уступать приведенным издержкам упаковки и увеличиваемым оборотам рынка.

·                Меньшая масса изделия и более низкий профиль изделия могут улучшать вибро- и ударо-прочностные свойства.

·                Некоторые более новые компоненты доступны только в SMT модулях.

·                Ручная сборка PTH компонентов, которая заменяется автоматической сборкой SMT компонентов, потенциально уменьшает полные издержки производства.

·                SMT пайки имеет более высокий потенциал для выходов, чем пайка волной SMT или PTH компонентов. Пайка волной все еще считается, надежным процессом, но она может уступать по незначительно большему количеству дефектов.

·                При наличии требуемого оборудования процесс перепайки и замены элементов на SMT проще, чем на PTH платах. Удобная подача SMT интегральных схем может быть удаляться и заменяться неоднократно с той же самой платы без повреждения интегральной схемы или плату, что нельзя сделать с 40-pin DIP интегральными схемами (ИС).

Недостатки SMT:

·                Платы с SMT компонентами требуют специальной разработки и автоматизированного проектирования (CAD), c такими же высокими требованиями к допускам и качеству как и у p.c. платы.

·                Экономически оправданным методом применения SMT компонентов при изготовлении печатных плат является наличием оборудования автоматизации сборки.

·                Сборка руками практически не допустима.

·                Применение обычного паяльника при ремонте SMT плат не допустимо.

·                Любые технические изменения влекут за собой изменения расположения компонентов и требуют новых затрат, таких как изготовление нового трафарет для клея и т. п., что влечет за собой дополнительные расходы.

·                Некоторые разработки требуют применения DIP компонентов. При сборки таких плат приходиться применять автоматическую установку PTH и SMT компонентов, что увеличивает издержки на выполнение дополнительных сборочных шагов. В таких случаях, есть такие платы, реализация которых на DIP компонентах имела бы меньшую стоимость сборочной операции.

·                При применении SMT появляются дополнительные издержки на программирование процесса автоматизации сборки и изготовление трафаретов.

6.5. Пайка

Традиционная техника пайки  волной припоя выполняется чаще всего  погружением компонента в ванну  с припоем. Для пайки на коммутационных платах компонентов в ТПМК обычно применяется метод расплавления дозированного припоя. Пайка расплавлением  припоя в парогазовой фазе в настоящее  время уступает место пайке с  инфракрасным нагревом, лазерная же пайка  пока не получила распространения. Ведущие  поставщики сборочно-монтажного оборудования обычно включают установки для пайки  в состав выпускаемых производственных линий.

Учет особенностей пайки на стадии проектирования изделий в сочетании  с контролем режима процесса пайки  снижает частоту появления дефектов на этапе пайки и очистки изделий  до уровня (50-5000)