Технологический процесс изготовления разработанного устройства
представляет собой комплекс действий исполнителей оборудования по преобразованию исходных материалов и комплектующих элементов в готовое
изделие. При разработке ТП ставится задача нахождения такого варианта,
который бы обеспечил наиболее экономичное решение. В соответствии ЕСТПП следует, в первую очередь, использовать типовые технологические маршруты, процессы и операции. Не рекомендуется предусматривать обработку на уникальных дорогостоящих станках за исключением тех случаев, когда это технологически и экономически оправдано. Необходимо использовать только стандартный режущий и измерительный инструмент. Следует применять наиболее совершенные формы организации производства: непрерывные и групповые поточные линии, групповые технологические процессы
групповые наладки. Разработка рабочего техпроцесса должна выполняться на базе типового.
Типовой техпроцесс сборки печатных плат состоит из следующих операций:
1. Комплектовочная операция.
2. Входной контроль микросхем и ЭРЭ.
3. Входной контроль ПП.
4. Формовка и обрезка выводов ЭРЭ.
5. Лужение выводов ИМС и ЭРЭ.
6. Подготовка ПП к монтажу.
7. Установка элементов на ПП.
8. Флюсование.
10. Удаление флюса.
11. Контроль качества пайки.
12. Защита от влаги.
Рассмотрим технологический процесс более подробно.
Согласно комплектовочной карте необходимо произвести комплектацию, то есть получить со склада все необходимые изделия: ПП, микросхемы, конденсаторы, разъемы и так далее. В технологическую карту записать дату выдачи ЭРЭ, ИМС, платы со склада. Комплектующие изделия разложить в соответствующую тару.
Входной контроль заключается в тщательной проверке ЭРЭ, ИМС и платы. На поверхности элементов не должно быть трещин, вмятин, сколов и других повреждений. Необходимо проверить наличие товарного знака, знака завода-изготовителя, ключа для определения первого вывода ИМС.
П
роизводится
сквозная проверка работоспособности
ИМС на контрольно-проверочном стенде,
так как отказ любой ИМС приводит к отказу
всей системы.
Проверка работоспособности ЭРЭ производится выборочно. Пониженное качество отдельных деталей не исключается, исходя из следующих соображений: 1. Недостаточный выходной контроль; 2. Длительное хранение готовых изделий на складе.Возможность повреждений при транспортировке.
Производится промывка ПП в ванне со спиртобензиновой смесью. Производится тщательный осмотр внешнего вида ПП с помощью увеличительной лупы. Диэлектрическое основание платы должно быть монолитным, однородным„без вздутий, расслоений, царапин и "посторонних" включений. Цвет диэлектрика должен быть однотонный, без резких границ, выделяющих какие либо области поверхности платы. Слой металлизации должен быть ровным, плотным, без сквозных протравов, трещин, неровностей: краев, уменьшающих их минимально допустимую ширину. Сквозные металлизированные отверстия должны быть чистыми и свободными от включений любого рода.
Основным способом формовки выводов является гибка. В случаях ее механизации рабочая часть инструмента - пуансона, матрицы, штампа, как правило, соответствует форме выводов. При проектировании ПП учтены размеры ИМС, разъема и расстояния между ножками элементов. Поэтому штыревые выводы используемых микросхем и разъема не формуются. Формовка же выводов конденсаторов необходима, так как расположение выводов не соответствует расположению отверстий на ПП.
Качество выполнения паяного соединения во многом зависит от тщательности подготовки соединяемых поверхностей. Для получения прочного соединения необходима хорошая смачиваемость поверхностей флюсами и припоями, которая зависит как от свойств материалов, так и от формы шероховатости поверхностей, наличия на соединяемых поверхностях органических загрязнений, ржавчины, оксидных и жировых пленок.
П
одготовка
паяемых поверхностей осуществляется
двумя способами: механическим и
химическим. Механическая обработка
заключается в удалении поверхностного
слоя металла, шлифовании поверхности
абразивными пастами. Однако, это не
исключает повреждения поверхностей.
При химическом способе паяемые поверхности
обрабатываются растворителями типа
спиртобензиновых и спиртофреоновых
смесей. При этом образуется поверхность
без оксидных и жировых пленок.
Воспользуемся химическим способом, как более удовлетворяющим нашему техпроцессу. Наиболее эффективным здесь является окунание выводов ИМС, ЭРЭ и разъема, закрепленных в специальной таре, в ванну со спиртобензиновым раствором. Затем производится промывка выводов в теплой проточной воде.
Для обеспечения высокого качества пайки применяют предварительное облуживание выводов ИМС м ЭРЭ. Лужение заключается в покрытии соединяемых деталей тонкой пленкой припоя, которая должна быть сплошной, без трещин, пор, посторонних включений, наплывов и острых выступов. Операция лужения с помощью ручного метода, то есть паяльником, малоэффективна из-за высокой трудоемкости и больших затрат времени. Поэтому наиболее эффективным является горячее лужение выводов ИМС, ЭРЭ и разъема в жидкий флюс ФКСП, а затем в ванну с расплавленным припоем ПОС - 61. При этом следует учесть, что время лужения ограничено (t < 3 сек).
Установка навесных элементов на ПП состоит из подачи их в зону установки, ориентации выводов относительно монтажных отверстий или контактных площадок и фиксации ЭРЭ и ИМС в требуемом положении. В зависимости от характера производства и конструктивных особенностей ПП установку производят вручную, механизированным или автомати-зированным способом. Автоматизированный метод применяется при сборке больших партий изделий, при этом, число устанавливаемых компонент составляет от 5 до 50 млн. штук в год. При объеме выпуска, требующем установки на платы 0,5...5 миллионов элементов/год и плотности каждой до 500 элементов, применяют оборудование с пантографами, оснащенное механизированными укладочными головками.
П
рименение
ручной сборки экономически выгодно при
производстве не более полутора сотен
плат в год. Существенным достоинством
ручной сборки является возможность
постоянного визуального контроля, что
позволяет использовать относительно
большие допуски на размеры выводов,
контактных площадок и монтажных
отверстий, делает возможным обнаружение
дефектов ПП и компонентов. В данном
случае установка ИС и ЭРЭ производится
на плате рядами, но ориентация ИМС в
разных рядах осуществляется неодинаково
из-за различия в размерах устанавливаемых
ИМС и ЭРЭ, их большого числа. Из сказанного
можно сделать вывод, что использование
механизированных и автоматизированных
линий не является оправданным.
Элементы устанавливаются на ПП согласно чертежа в следующей последовательности: ИМС, резисторы, диоды, транзисторы, конденсаторы, разъем. После установки выводы подгибаются с противоположной стороны, фиксируя тем самым элементы. При установке ИМС должен быть предусмотрен отвод статического электричества от монтажника с помощью заземленного браслета.
Механизм действия флюса заключается в том, что оксидные пленки металла и припоя растворяются, разрыхляются и всплывают на поверхность флюса. Флюсы служат для уменьшения сил поверхностного натяжения расплавленного припоя на границе металл-припой-флюс. Правильный выбор флюса обеспечивает качественное соединение и существенно влияет на скорость и степень завершенности процесса пайки. Выбранный флюс должен быть химически активным и растворять оксиды паяемых металлов, термически стабилен и выдерживать температуру пайки без испарения или разложения.
Ф
люсование
можно производить различными методами:
кистью, погружением, протягиванием,
накатыванием, распылением, вращающимися
щетками. В среднесерийном производстве
используется пенное или волновое
флюсование. Широкое применение при
осуществлении монтажных соединений
получили бескислотные флюсы. Флюсы на
основе канифоли не оказывают коррозийного
действия.
Процесс пайки контактных соединений включает в себя:
фиксацию соединяемых элементов с предварительно подготовленными поверхностями для пайки;
нагрев поверхностей пайки до заданной температуры в течение ограниченного времени;
введение в зону флюса припоя в необходимых и достаточных для пайки дозах;
плавление припоя с максимальным смачиванием им поверхности пайки;
остывание припоя в условиях, исключающих взаимное перемещение паяемых деталей.
Наилучшее качество пайки обеспечивает эвтектический припой. Важное его свойство – узкий температурный интервал кристаллизации. При наличии широкого интервала кристаллизации необходимо поддерживать неизменным положением паяемых поверхностей при охлаждении припоя.
После пайки необходимо тщательно очистить узлы и паяные соединения от загрязнений, способных привести к коррозии и снижению сопротивления изоляции диэлектрических материалов. Выбор способа очистки зависит от степени и характера загрязнения. Среду для отмывки выбирают в зависимости от применяемых флюсов. При малых объемах производства узлы ЭВА последовательно промывают в нескольких ваннах со специальными виброустановками частотой 50 Гц и амплитудой 1-2 мм. В нашем случае эффективно использовать последовательное погружение в ванну со спиртобензиновой смесью, затем в ванну с горячей и холодной водой. Продолжительность выдержки в каждой ванне составляет около 1 минуты.
П
роизводится
визуальный контроль качества пайки.
Паяная поверхность должна быть блестящей,
ровной, без вздутий, раковин и острых
выступов припоя. Не должно быть наплывов
олова с одного проводника на другой.
Дефекты устраняются с помощью паяльника
и флюса ФКСп путем нанесения небольшого
количества флюса на место дефекта и
снятия избытка олова паяльником. Осмотр
проводится с помощью увеличительного
стекла. Испытание на вибропрочность
подвергается 2% плат из каждой партии,
но не менее 3 штук. Соединения выводов
навесных деталей в отверстиях платы
должны выдержать усилия до 0.5 кг.
Основными электроизоляционными материалами являются пропиточные лаки, компаунды, покровные лаки и эмали. Эмали и покровные лаки используют для обволакивания. Они состоят из основы и растворителя, должны быстро сохнуть и образовывать блестящую пленку, хорошо сцепляющуюся с покрываемой поверхностью.
Для устранения климатических воздействий и повышения коррозийной стойкости блок равномерно покрывают тонким слоем лака. Для этого его опускают в ванну с лаком УР 231, затем вынимают и высушивают горячим воздухом при t=40 – 60 0 С. После этого блок ставится в тару, упаковывается и отправляется заказчику.
ГИБКИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ СИСТЕМЫ СБОРКИ И МОНТАЖА ЭЛЕКТРОННЫХ МОДУЛЕЙ 1-го УРОВНЯ РАЗУКРУПНЕНИЯ МЭА
Сборка и монтаж являются одним из заключительных этапов производства МЭА, заключающимся в механическом и электрическом соединении в единое целое в соответствии с технической документацией совокупности деталей, узлов, приборов (как покупных, так и собственного изготовления) с целью изготовления МЭА.
Для правильно спроектированной МЭА, сборка и монтаж является последним этапом ее производства, в такой МЭА настроечно регулировочные работы отсутствуют, а контроль электрических и радиотехнических параметров собранных изделий является неотъемлемой частью технологического процесса (ТП) сборки и монтажа.
Трудоемкость сборочно-монтажных работ составляет 40--60 % общей трудоемкости изготовления МЭА. Трудоемкость изготовления электронных модулей 1-го уровня (ЭМ-1) разукрупнения МЭА- ЭМ-1 на печатных платах (ПП) - составляет около половины трудоемкости всех сборочно-монтажных работ. В связи с этим повышение производительности труда на сборке и монтаже ЭМ-1 за счет автоматизации ТП, является важнейшей задачей в деле совершенствования производства МЭА, одним из перспективных путей решения которой является создание ГПС сборки и монтажа ЭМ-1.
Конструкторско-технологическая характеристика ЭМ-1, изготавливаемых в ГПС сборки и монтажа
Определение основных конструкторско-технологических характеристик ЭМ-1 предполагает анализ: элементной базы ЭМ-1 с позиций ее конструкторско-технологической классификации, вариантов поставки, предъявляемых к ней технических требований; конструкторско-технологических особенностей монтажно-коммутационных оснований (печатных плат); типовых конструкций ЭМ-1; типовых ТП сборки и монтажа ЭМ-1 в условиях ГПС. Перейдем к последовательному рассмотрению перечисленных выше вопросов.
Краткая конструкторско-технологическая характеристика элементной базы ЭМ-1
Элементная база РЭА (ЭМ-1 в том числе) состоит, в основном, из изделий электронной техники (ИЭТ) и электротехники, которые по своим конструкторско-технологическим особенностям подразделяются на 10 групп:
неполярные ИЭТ с цилиндрической или прямоугольной формой корпуса и осевыми выводами (резисторы, конденсаторы и др);
полярные ИЭТ с цилиндрической формой корпуса и осевыми выводами (диоды, конденсаторы);
ИЭТ с прямоугольной и дисковой формами корпуса и двумяоднонаправленными выводами (конденсаторы и д.);
полярные ИЭТ с цилиндрической формой корпуса и двумя одно направленными выводами (конденсаторы электролитические и др.);
ИЭТ с цилиндрической формой корпуса с двумя и более параллельными выводами;
ИЭТ с прямоугольной формой корпуса с двумя и более однонаправленными выводами (ИС в корпусах "Тропа", "Посол" и др.);
ИЭТ с цилиндрической формой корпуса с двумя и более однонаправленными выводами (транзисторы и ИС в корпусах типа "ТО" и Др.);
ИЭТ с прямоугольной и цилиндрической формой пластмассового корпуса с тремя однонаправленными выводами (транзисторы в корпусах типа КТ и др.) ;
ИЭТ с прямоугольной формой корпуса и двухсторонним расположением выводов, перпендикулярно основанию корпуса (ИС, резисторные диоды и транзисторные сборки в корпусах типа 2 (ДИП) и др.) ;
ИЭТ с прямоугольной формой корпуса и 2- или 4- сторонним расположением выводов параллельно корпуса (ИС, резисторные диодные транзисторные сборки в корпусах типа 4, и др.).
Таким образом перечисленные радиоэлементы, полупроводниковые приборы, интегральные микросхемы, электрические характеристики (разъемы) характеризуются следующими параметрами: массой, габаритными размерами, жесткостью выводов, точностью изготовления корпусов, конфигурацией, наличием и видом ключей, видом поставки, допустимыми величинами механических воздействий на корпус и выводы (растягивающих и сжимающих усилий, возникающих в процессе формовки выводов). Промышленностью выпускаются радиоэлементы, микросхемы различной формы корпуса:
прямоугольной формы с планарными выводами (габаритные размеры: А X В - 7,5 X 7,5 мм; А X В - 52,5 X 22,5 мм);
цилиндрической формы с осевыми выводами (габаритные размеры Д X Н-2Х 6мм; ДХН-20Х 26мм);
цилиндрической формы с радиальными выводами (габаритные размеры: Д X Н - 4,5 X 3 мм; Д X Н - 25 X 10 мм);
дисковой формы габаритные размеры: Д X Н 5,0 X 1 мм; Д X Н -17X5 мм);
квадратной формы (габаритные размеры: А X В 4,5 X 4,5 мм; А X В 25X25 мм);
прямоугольной формы (габаритные размеры: АХВ95Х6,5мм; АХ В 59,5X26,5 мм).
Высота корпуса перечисленных радиоэлементов колеблется в пределах от 2,5 до 50 мм, а их масса - от десятых долей граммов до сотен граммов.
Выводы радиоэлементов, микросхем имеют круглое или прямоугольное сечение. Длина выводов колеблется от 4 до 40 мм. Для выводов используются материалы: медь, платинит, ковар с модулями упругости для указанного материала Е = 2,1 X 10 ~6 -г 2,5 X 10 Т6 кг/см2.
Особенности состояния поставки элементной базы для условий автоматизированной сборки МЭА (ЭМ-1) в условиях ГПС
ИЭТ одного типоразмера, выпускаемые различными предприятиями-изготовителями, должны иметь единое конструктивное исполнение габаритно-присоединительные размеры и должны изготавливаться по единой конструкторско-технологической документации.
Для автоматизации операций ориентации ИЭТ и контроля правильности установки его в электронных модулях при выполнении сборочно-монтажных работ ИЭТ должны иметь четко выраженный и конструктивно оформленный ключ. Ключ, выполненный в виде скоса (выступа, выемки и прочее) на корпусе элемента располагается в зоне первого вывода. Нумерация остальных выводов ведется слева направо или по часовой стрелке снизу, т.е. со стороны расположения выводов. Для некоторых ИЭТ ориентация при установке в МЭА либо не имеет значения, например, для неполярных ИЭТ резисторов, либо обеспечивается за счет упаковки. Так, неполярные ИЭТ - диоды - при упаковке в липкую ленту располагаются таким образом, чтобы все положительные выводы были направлены в одну сторону, а отрицательные -- в другую. Лента с положительными выводами при этом обязательно должна быть цветной.
Важнейшее значение для обеспечения возможности эффективной автоматизации имеет упаковка ИЭТ. В соответствии с нормативно-техническими документами ИЭТ должны поставляться в следующем виде.
ИЭТ 1-й и 2-й групп поставляются вклеенными в двухрядную липкую ленту. Шаг вклейки 5 зависит от диаметра (ширины) элемента и должен быть кратен 5 мм. Ширина липкой ленты а равна 6 или 9 мм. Расстояние между лентами Ъ определяется длиной корпуса ИЭТ и может быть 53, 63 или 73 мм. Полярные ИЭТ вклеиваются в ленту в однозначно ориентированном положении. Положительные выводы ИЭТ вклеиваются в цветную ленту.
ИЭТ 3-й, 4-й, и 8-й групп с проволочными выводами, а также транзисторы поставляются вклеенными в однорядную перфорированную ленту (рис. 1). Ширина ленты а - 18 мм. Шаг вклейки (шаг перфорированных отверстий) s в зависимости от размера корпуса ИЭТ составляет 12>7 или 15 мм. Расстояние между выводами ИЭТ b равно 2,5 или 5 мм.
В ряде случаев допускается поставка в однорядной ленте и ИЭТЭ 1-й и 2-й групп, когда они устанавливаются на печатные платы в вертикальном положении. Допускается также поставка ИЭТ 3-й и 4-й групп вклеенными в двухрядную ленту, что обеспечивает возможность их установки на печатные платы на автоматах, предназначенных для установки резисторов (в условиях отсутствия специального технологического оборудования для установки ИЭТ, упакованных в однородную ленту) .
ИЭТ, упакованные в ленты поставляют на катушках вместимостью от одной до пяти тысяч штук ИЭТ с межслойной прокладкой, исключающей повреждения изделий и их выводов.
ИЭТ 5-й, 6-й, 7-й, и 9-й групп, как правило, поставляются ориентированными в специальных прямоточных одноручьевых технологических кассетах.
ИЭТ 10-й группы поставляются в индивидуальной таре-спутнике, исключающей деформацию корпуса и выводов при их хранении и транспортировании, а также обеспечивающей возможность свободного доступа к выводам для автоматизированного контроля их параметров. Тара-спутник выполняется двухдетальной из антистатических материалов. Интегральные схемы (ИС) размещаются в ней строго однозначно - крышкой вниз и с ключом, расположенным в сторону двух пазов тары-спутника.
Обратимся теперь к рассмотрению основных технических требований, предъявляемых в ИЭТ по их стойкости к технологическим воздействиям. К числу таких требований относятся следующие.
Конструкция ИЭТЭ должна обеспечивать трехкратное воздействие групповой пайки и лужения выводов горячим способом без применения теплоотводов и образование надежного паяного соединения при температуре пайки не выше 265 °С в течение не более 4 с.
Выводы и контактные площадки ИЭТ должны обеспечивать паяемость с использованием спирто-канифольных не активированных флюсов и спирто-канифольных не коррозионных слабоактивизированных флюсов (не более 25 % канифоли) без дополнительной подготовки в течение 12 месяцев с момента изготовления.
Рис.1
Основные технические требования, выдвигаемые применительно к ПП для ЭМ-1, изготавливаемой в условиях ГПС сборки и монтажа
1. ПП должны быть прямоугольной формы с соотношением сторон не более чем 1:2. Это необходимо для того, чтобы обеспечить достаточную жесткость печатной платы при воздействии на нее механических усилий со стороны автоматической укладочной головки ГПС.
2. Для фиксации ПП на координатном столе сборочного автомата в конструкции печатных плат должны быть предусмотрены базовые фиксирующие поверхности, от которых производится отсчет координат монтажных отверстий или контактных площадок. Для автоматизированной сборки в качестве базовых фиксирующих поверхностей можно выбирать отверстия (например, крепежные), расположенные возле одной из сторон ПП или по диагонали. Точность расположения фиксирующих отверстий должна быть не ниже ± 0,05 мм. Для автоматической сборки в качестве базовых фиксирующих поверхностей следует выбирать две взаимопенпердикулярные стороны (например, в нижнем левом углу платы). Базирование на угол платы облегчает автоматическую замену любых ПП, в том числе и разных типоразмеров, на сборочном автомате. Базирование на отверстия обеспечивает возможность автоматической замены плат только одного типоразмера.
Предельные отклонения монтажных отверстий и контактных площадок от базовых поверхностей должны быть не более ± 0,1 мм.
3. ПП должны иметь зоны, свободные от ИЭТ, для фиксации их в направляющих координатного стола сборочного автомата, накопителях ПП и транспортной таре. Эти зоны располагаются, как правило, вдоль длинных краев ПП на расстоянии 5 мм -- для бытовой аппаратуры, и на расстоянии не менее 2,5 мм -- для аппаратуры специального назначения.
Перечисленные основные конструкторско-технологические признаки и особенности ИЭТ накладывают существенные ограничения на методы и технические средства пространственного манипулирования, предъявляют особые требования к обеспечению технологичности конструкции ЭМ-1 как объекта автоматической (роботизированной) сборки, прогнозированию и оценке показателя собираемости ЭМ-1, достижению требуемого уровня типизации и унификации конструкторско-технологических решений ЭМ-1, а также элементов конструкции ТМ ГПС сборки и монтажа ЭМ-1.
Кратная конструкторско-технологическая характеристика ЭМ-1 как объектов автоматизированной сборки и монтажа в ГПС
С позиций сбор и монтажа ЭМ-1 делятся на три группы: ЭМ-1 на ИС со штырьковыми выводами; ЭМ-1 на ИС с планарными выводами; ЭМ-1 на дискретных ИЭТ.
Определяющим признаком технологической классификации является тип элементной базы ЭМ-1, так как именно от нее зависит тип и характер технологического процесса, который должен быть использован при изготовлении электронного модуля. Однако на практике чаще всего встречаются различные комбинации состава элементной базы, что приводит к необходимости использования различных технологических процессов. При этом особенно важна принятая последовательность выполнения операций технологического процесса.
Электронные модули изготовления в условиях ГПС должны удовлетворять следующим техническим требованиям:
электронный модуль должен быть функционально законченным с тем, чтобы его изготовление, в том числе электрический контроль, можно было организовать на специализированном производстве (участке);
для обеспечения возможности применения групповой пайки волной припоя все ИЭТ со штырьковыми выводами должны располагаться на печатной плате только с одной ее стороны. Для ИЭТ с планарными выводами расположение с двух сторон печатной платы;
автоматизированной установке на печатные платы подвергаются только те ИЭТ, которые не требуют дополнительного крепления;
вокруг ИЭТ, устанавливаемый на ПП, должны быть предусмотрены свободные зоны -- зоны работы инструмента установочных головок. Для повышения плотности монтажа допускается применение принципа "наложения" свободных зон. При этом обязательной становится необходимость соблюдения такой последовательности установки ИЭТ на плату, при которой первым устанавливается ИЭТ с более широкой зоной, а в последнюю с наименьшей зоной.
Типовые схемы сборки применительно к типовым конструкциям электронных модулей приведены на рис. 2, 3 и 4.
Рис. 2
Рис. 3 - Схема технологического процесса сборки ЭМ-1 на ИС с планарными выводами
Рис. 4
Из указанных рисунков видно, что сборочно-монтажные работы при изготовлении ЭМ-1 представляют собой комплекс различных по характеру механических, физических и химических процессов, сочетающихся между собой в технологическом процессе в различной последовательности.
Об этом свидетельствуют такие примеры:
формовка выводов, установка и крепление на печатных платах электрорадиоэлементов и интегральных схем -- механические процессы;
обезжиривание, склеивание, отмывка от остатков флюсов после пайки -- химические процессы;
лужение, пайка, сварка -- физико-химические и физике-металлургические процессы
обжимка, накрутка монтажных соединений - физико-механические процессы и т. д.
Все эти обстоятельства серьезно повлияли на необходимость обеспечения требуемого уровня автоматизации технологических процессов сборки и монтажа ЭМ-1.
Список литературы
1. Р.И. Гжиров, П.П. Серебреницкий. Программирование обработки на станках с чпу. Справочник, - Л.: Машиностроение, 1990. - 592 с.
2. Роботизированные технологические комплексы / Г. И. Костюк, О. О. Баранов, И. Г. Левченко, В. А. Фадеев - Учеб. Пособие. - Харьков. Нац. аэрокосмический университет «ХАИ», 2003. - 214с.
3. Н.П.Меткин, М.С.Лапин, С.А.Клейменов, В.М.Критський. Гибкие производственные системы. - М.: Издательство стандартов, 1989. - 309с.
4. Гибкие робототехнические системы / А. П. Гавриш, Л. С. Ямпольский, - Киев, Головное издательство издательского объединения “Вища школа”, 1989. - 408с.
5. Широков А.Г. Склады в ГПС. - М.: Машиностроение, 1988. - 216с.
6. Проектирование металлорежущих станков и станочных систем: Справочник-учебник в 3-х т. Т. 3: Проектирование станочных систем /Под общей ред. А.С. Проникова - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана; Изд-во МГТУ «Станкин», 2000. - 584 с.
8. Иванов Ю.В., Лакота Н.А. Гибкая автоматизация производства производства РЭА с применением микропроцессоров и роботов: Учеб. пособие для вузов. - М.: Радио и связь, 1987. - 464 с.
9. Промышленные роботы: Конструкция, управление, эксплуатация. / Костюк В.И., Гавриш А.П., Ямпольский Л.С., Карлов А.Г. - К.: Высш.шк., 1985. - 359
10. Гибкие производственные комплексы /под.ред. П.Н.Белянина. - М.: Машиностроение, 1984. - 384с.
При производстве радиоэлектронной аппаратуры на базе микроэлектроники к выполнению соединений микроэлементов внутри микросхем, а также к монтажу микросхем в узлы и блоки предъявляются специфические требования.
Методы монтажа, пайки и сварки, используемые при производстве микросхем, отличаются от методов, используемых при производстве функциональных узлов и микромодулей. Это обусловлено тем, что большинство полупроводниковых материалов и диэлектрических подложек из керамики и стекла обладают низкой теплопроводностью, узкой зоной пластичности и малой сопротивляемостью к воздействию термических и механических напряжений.
Полупроводниковые интегральные микросхемы в отличие от тонкопленочных имеют на порядок более высокую разрешающую способность рисунка, позволяющую увеличить плотность размещения микроэлементов (т. е. повысить степень интеграции). По сравнению с толстопленочными интегральными микросхемами степень интеграции повышается больше чем в сто раз.
Внутренний монтаж любых микросхем включает в себя технологические операции по установке и закреплению одной или нескольких микросхем в корпусе и выполнению внутримикросхем-ных соединений. Для сборки и монтажа микросхем применяют различные установки. Так, для сборки кристаллов полупроводниковых интегральных микросхем размером от 0,6 х 0,6 до 1,8 х 1,8 мм используется установка ЭМ-438А, а для монтажа нескольких кристаллов в один корпус - установка ЭМ-445. Крепление кристалла микросхемы осуществляется методом пайки или приклейкой.
Внутримикросхемные соединения между напыленными на кристаллы контактными площадками микросхемы и выводами ее корпуса выполняют с помощью проволочных перемычек, в качестве которых используются медные, алюминиевые и золотые микропровода толщиной от 8 до 60 мкм.
В зависимости от сочетания применяемых материалов и конструкции выводов при сборке микросхем для соединения используется микросварка (термокомпрессионная, ультразвуковая, контактная, электронно-лучевая, лазерная) или микропайка.
Наиболее широкое применение получили термокомпрессионная и ультразвуковая микросварка и микропайка.
Термокомпрессионная микросварка заключается в одновременном воздействии на свариваемые металлы давления и повышенной температуры. Соединяемые металлы разогреваются до определенной температуры (начала рекристаллизации), при которой начинается сцепление (диффузия) очищенных от окислов поверхностей металлов при приложении даже небольшой нагрузки. Этот способ позволяет присоединять электрические выводы толщиной не более нескольких десятков микрон к контактным площадкам кристаллов, размеры которых не превышают 20...50 мкм. В процессе соединения микропровод из алюминия или золота прикладывают к кристаллу полупроводника и прижимают нагретым стержнем.
Основными параметрами, определяющими режим термокомпрессионной микросварки, являются удельное давление, температура нагрева и время сварки.
При термокомпрессионной микросварке необходим тщательный контроль этих параметров.
Область применения термокомпрессионной микросварки очень широка. Она является основным методом присоединения выводов к полупроводниковым кристаллам, используется также для присоединения проволочных микропроводников к напыленным контактным площадкам микросхем, для монтажа БИС и микросборок. С помощью термокомпрессионной микросварки осуществляется групповая сварка микросхем с планарными выводами, а также прецизионная микросварка элементов с минимальной толщиной проводников (до 5 мкм).
Ультразвуковая микросварка позволяет получить надежное соединение металлов с окисными поверхностями кристаллов при минимальном тепловом воздействии на структуру чувствительных к нагреву элементов микросхем. Этот вид микросварки применяется для соединения металлов, имеющих различные электро- и теплопроводность, а также для соединения металлов с керамикой и стеклом.
Отечественной промышленностью выпускаются ультразвуковые установки для присоединения микропровода или микроленты (диаметром до 60 мкм) из алюминия и золота к кристаллам полупроводниковых микросхем, для осуществления внутрикорпусного монтажа микросхем, а также для сборки БИС и микросборок.
Оборудование для монтажа полупроводниковых приборов и микросхем методом ультразвуковой микросварки состоит из ультразвуковой сварочной установки, принцип действия которой основан на возбуждении преобразователем механических колебаний ультразвуковой частоты в месте свариваемых деталей, и устройства для фиксации микросхемы.
В качестве преобразователей электрической энергии в механические колебания используются магнитострикционные и пьезоэлектрические устройства.
При ультразвуковой сварке неразъемное соединение металлов образуется в результате совместного воздействия на детали механических колебаний с частотой 15...60 кГц, относительно небольших сдавливающих усилий и теплового эффекта, сопровождающего сварку. В результате в сварной зоне появляется небольшая пластическая деформация, которая обеспечивает надежное соединение деталей.
В последние годы для монтажа микросхем широко применяется комбинированный способ, основанный на термокомпрессии с косвенным импульсным нагревом и наложением ультразвуковых колебаний.
Микропайка может осуществляться мягкими и твердыми припоями. Основными достоинствами микропайки являются ее относительная простота и возможность соединения деталей сложной конфигурации, что трудно выполнить при микросварке.
К мягким припоям относятся сплавы олова и свинца, индия и галлия, олова и висмута, обладающие низкой температурой плавления (обычно 140...210 °С). Эти припои наиболее часто применяются при пайке в интегральных микросхемах.
При микропайке микросхем мягкими припоями соединяемые металлы должны быть металлургически и химически совместимыми, не должны образовывать сплавов с большим сопротивлением и интерметаллических хрупких соединений в месте контакта; припои должны быть инертными при рабочей температуре схемы и полностью удаляться с места соединения и с окружающей его поверхности.
К твердым (высокотемпературным) припоям относятся сплавы на основе серебра ПСр45 и ПСр50, имеющие температуру плавления до 450... 600 °С. Эти припои используются для герметизации корпусов микросхем, для соединения серебряных или посеребренных деталей (так как припои на основе олова - свинца растворяют значительное количество серебра, изменяя характеристики контакта) и др.
В настоящее время разработаны высокотехнологичные способы микропайки. Одним из таких способов является микропайка в атмосфере горячего (до 400 °С) инертного газа или водорода, при которой предварительно облуженный участок обдувается из миниатюрных сопл горячей струей газа. Этот способ обеспечивает высокую производительность, кроме того, позволяет исключить применение флюса.
Процесс пайки упрощается при использовании дозированного припоя в виде таблеток или пасты, который предварительно наносится на места соединений. Этот способ обеспечивает точный контроль количества тепла в месте сварки, а при использовании средств автоматики позволяет регулировать время протекания тока и его величину.
Для механизированной микропайки характерны шаговые перемещения паяльного инструмента, обычно осуществляемые по программе, и прижим инструментом паянного соединения во время пайки. Автоматизация процессов пайки при соединении интегральных микросхем с монтажной платой наряду с повышением производительности труда обеспечивает повышение качества соединений.
Сборка и герметизация микросхем и полупроводниковых приборов включает в себя 3 основные операции: присоединение кристалла к основанию корпуса, присоединение выводов и защиту кристалла от воздействия внешней среды. От качества сборочных операций зависят стабильность электрических параметров и надёжность конечного изделия. кроме того, выбор метода сборки влияет на суммарную стоимость продукта.
Присоединение кристалла к основанию корпуса
Основными требованиями при присоединении полупроводинкового кристалла к основанию корпуса являются высокая надёжность соединения, механическая прочность и в ряде случаев высокий уровень передачи тепла от кристалла к подложке. Операцию присоединения проводят с помощью пайки или приклеивания.
Клеи для монтажа кристаллов могут быть условно разделены на 2 категории: электропроводящие и диэлектрические. Клеи состоят из связующего вещества клеи и наполнителя. Для обеспечения электро- и теплопроводности в состав клея как правило вводят серебро в виде порошка или хлопьев. Для создания теплопроводящих диэлектрических клеев в качестве наполнителя используют стеклянные или ке-рамические порошки.
Пайка осуществляется с помощью проводящих стеклянных или металлических припоев.
Стеклянные припои - это материалы, состоящие из оксидов металлов. Они обладают хорошей адгезией к широкому спектру керамики, оксидов, полупроводниковых материалов, металлов и характеризуются высокой коррозионной стойкостью.
Пайка металлическими припоями осуществляется с помощью навесок или прокладок припоя заданной формы и размеров (пре-форм), помещаемых между кристаллом и подложкой. В массовом производстве применяется специализированная паяльная паста для монтажа кристаллов.
Присоединение выводов
Процесс присоединения выводов кристалла к основанию корпуса осуществляется с помощью про-волоки, ленты или жёстких выводов в виде шариков или балок.
Проволочный монтаж осуществляется термокомпресионной, электроконтактной или ультразвуковой сваркой с помощью золотой, алюминиевой или медной проволоки/лент.
Беспроволочный монтаж осуществляется в технологии «перевёрнутого кристалла» (Flip-Chip). Жёсткие контакты в виде балок или шариков припоя формируются на кристалле в процессе создания металлизации.
Перед нанесением припоя поверхность кристалла пассивируется. После литографии и травления, контактные площадки кристалла дополнительно металлизируются. Эта операция проводится для создания барьерного слоя, предотвращения окисления и для улучшения смачиваемости и адгезии. После этого формируются выводы.
Балки или шарики припоя формируются методами электролитического или вакуумного напыления, заполнения готовыми микросферами или методом трафаретной печати. Кристалл со сформированными выводами переворачивается и монтируется на подложку.
Защита кристалла от воздействия внешней среды
Характеристики полупроводникового прибора в сильной степени определяются состоянием его по-верхности. Внешняя среда оказывает существенное влияние на качество поверхности и, соответствен-но, на стабильность параметров прибора. данное воздействие изменяется в процессе эксплуатации, поэтому очень важно защитить поверхность прибора для увеличения его надёжности и срока службы.
Защита полупроводникового кристалла от воздействия внешней среды осуществляется на заклю-чительном этапе сборки микросхем и полупроводниковых приборов.
Герметизация может быть осуществлена помощью корпуса или в бескорпусном исполнении.
Корпусная герметизация осуществляется путём присоединения крышки корпуса к его основанию с помощью пайки или сварки. Металлические, метало-стеклянные и керамические корпуса обеспечива-ют вакуум-плотную герметизацию.
Крышка в зависимости от типа корпуса может быть припаяна с использованием стеклянных при-поев, металлических припоев или приклеена с помощью клея. Каждый из этих материалов обладает своими преимуществами и выбирается в зависимости от решаемых задач
Для бескорпусной защиты полупроводниковых кристаллов от внешних воздействий используют пластмассы и специальные заливочные компаунды, которые могут быть мягкими или твёрдыми после полимеризации, в зависимости от задач и применяемых материалов.
Современная промышленность предлагает два варианта заливки кристаллов жидкими компаундами:
- Заливка компаундом средней вязкости (glob-top, Blob-top)
- Создание рамки из высоковязкого компаунда и заливка кристалла компаундом низкой вязкости (Dam-and-Fill).
Основное преимущество жидких компаундов перед другими способами герметизации кристалла за-ключается в гибкости системы дозирования, которая позволяет использовать одни и те же материалы и оборудование для различных типов и размеров кристаллов.
Полимерные клеи различают по типу связующего вещества и по типу материала наполнителя.
Связующий материал
Органические полимеры, используемые в качестве адгезива, могут быть разделены на две основные категории: реактопласты и термопласты. Все они являются органическими материалами, но
существенно отличаются по химическим и физическим свойствам.
В реактопластах при нагреве полимерные цепи необратимо сшиваются в жёсткую трёхмерную сетчатую структуру. Возникающие при этом связи позволяют получать высокую адгезионную способность материала, но при этом ремонтопригодность ограничена.
В термопластичных полимерах не происходит отверждения. Они сохраняют способность к размягчению и расплавлению при нагреве, создавая прочные эластичные связи. Это свойство позволяет использовать термопласты в задачах, где требуется ремонтопригодность. Адгезионная способность термопластичных пластмасс ниже, чем у реактопластов, но в большинстве случаев вполне достаточна.
Третий тип связующего вещества - смесь термопластов и реактопластов, объединяющая в себе
преимущества двух типов материалов. Их полимерная композиция представляет собой взаимопроникающую сеть термопластичных и реактопластичных структур, что позволяет использовать их для создания высокопрочных ремонтопригодных соединений при относительно низких температурах (150 о С - 200 о С).
Каждая система имеет свои достоинства и недостатки. Одним из ограничений в использовании термопластичных паст является медленное удаление растворителя в процессе оплавления. Раньше для соединения компонентов с использованием термопластичных материалов требовалось провести процесс нанесения пасты (соблюдая плоскостность), сушки для удаления растворителя и только затем установки кристалла на подложку. Такой процесс исключал образование пустот в клеящем материале, но увеличивал стоимость и затруднял использование данной технологии в массовом производстве.
Современные термопластичные пасты обладают способностью очень быстрого испарения растворителя. Это свойство позволяет наносить их методом дозирования, используя стандартное оборудование, и устанавливать кристалл на ещё не высушенную пасту. Далее следует этап быстрого низкотемпературного нагрева, во время которого растворитель удаляется, и после оплавления создаются адгезионные связи.
Долгое время имелись сложности с созданием высоко теплопроводящих клеев на основе термопластов и реактопластов. Данные полимеры не позволяли увеличивать содержание теплопроводящего наполнителя в пасте, поскольку для хорошей адгезии требовался высокий уровень связующего вещества (60-75%). Для сравнения: в неорганических материалах доля связующего вещества могла быть уменьшена до 15-20%. Современные полимерные клеи (Diemat DM4130, DM4030, DM6030) лишены этого недостатка, и содержание теплопроводящего наполнителя достигает 80-90%.
Наполнитель
Основную роль в создании тепло-, электропроводящего адгезива играют тип, форма, размер и количество наполнителя. В качестве наполнителя используется серебро (Ag) как химически стойкий материал с наиболее высоким коэффициентом теплопроводности. Современные пасты содержат в себе
серебро в виде порошка (микросферы) и хлопьев (чешуек). Точный состав, количество и размер частиц экспериментально подбираются каждым производителем и в сильной степени определяют теплопроводящие, электропроводящие и клеящие свойства материалов. В задачах, где требуется диэлектрик с теплопроводящими свойствами, в качестве наполнителя используется керамический порошок.
При выборе электропроводящего клея следует принимать во внимание следующие факторы:
- Тепло-, электропроводность используемого клея или припоя
- Допустимые технологические температуры монтажа
- Температуры последующих технологических операций
- Механическая прочность соединения
- Автоматизация процесса монтажа
- Ремонтопригодность
- Стоимость операции монтажа
Кроме того, при выборе адгезива для монтажа следует обращать внимание на модуль упругости полимера, площадь и разность КТР соединяемых компонентов, а также толщину клеевого шва. Чем ниже модуль упругости (чем мягче материал), тем большие площади компонентов и большая разница КТР соединяемых компонентов и более тонкий клеевой шов допустимы. Высокое значение модуля упругости вносит ограничение в минимальную толщину клеевого шва и размеры соединяемых компонентов из-за возможности возникновения больших термомеханических напряжений.
Принимая решение о применении полимерных клеев, необходимо учитывать некоторые технологические особенности этих материалов и соединяемых компонентов, а именно:
- длина кристалла (или компонента) определяет величину нагрузки на клеевой шов после охлаждения системы. Во время пайки кристалл и подложка расширяются в соответствии со своими КТР. Для кристаллов большого размера необходимо использовать мягкие (с низким модулем упругости) адгезивы или согласованные по КТР материалы кристалла/подложки. Если различие КТР слишком велико для данного размера кристалла, соединение может быть нарушено что приведет к отслаиванию кристалла от подложки. Для каждого типа пасты производитель, как правило, даёт рекомендации по максимальным размерам кристалла для определённых значений разницы КТР кристалла/подложки;
- ширина кристалла (или соединяемых компонентов) определяет расстояние, которое проходит растворитель, содержащийся в адгезиве, до того как покинет клеевой шов. Поэтому размер кристалла должен учитываться и для правильного удаления растворителя;
- металлизация кристалла и подложки (или соединяемых компонентов) не обязательна. Обычно полимерные клеи имеют хорошую адгезию ко многим неметаллизированым поверхностям. Поверхности должны быть очищены от органических загрязнений;
- толщина клеевого шва. Для всех адгезива, содержащих тепло- , электропроводящий наполнитель, существует ограничение по минимальной толщине клеевого шва dx (см. рисунок). Слишком тонкий шов не будет иметь достаточно связующего вещества, чтобы покрыть весь наполнитель и сформировать связи с соединяемыми поверхностями. Кроме того, для материалов с высоким модулем упругости толщина шва может ограничиваться различными КТР для соединяемых материалов. Обычно для клеев с низким модулем упругости рекомендуемая минимальная толщина шва составляет 20-50 мкм, для клеев с высоким модулем упругости 50-100 мкм;
- время жизни адгезива до установки компонента. После нанесения адгезива растворитель из пасты начинает постепенно испаряться. Если клей высыхает, то не происходит смачивания и приклеивания соединяемых материалов. Для компонентов малого размера, где отношение площади поверхности к объёму нанесённого клея велико, растворитель испаряется быстро, и время после нанесения до установки компонента необходимо минимизировать. Как правило, время жизни до установки компонента для различных клеев варьируется от десятков минут до нескольких часов;
- время жизни до термического отверждения клея отсчитывается от момента установки компонента до помещения всей системы в печь. При длительной задержке может происходить расслоение и растекание клея, что негативным образом сказывается на адгезии и теплопроводности материала. Чем меньше размер компонента и количество нанесённого клея, тем быстрее он может высохнуть. Время жизни до термического отверждения клея может варьироваться от десятков минут до нескольких часов.
Выбор проволоки, лент
Надёжность проволочного/ленточного соединения в сильной степени зависит от правильного вы-бора проволоки/ленты. Основными факторами определяющими условия применения того или иного типа проволоки являются:
Тип корпуса . В герметичных корпусах используется только алюминиевая или медная проволока, поскольку золото и алюминий образуют хрупкие интерметаллические соединения при высоких темпе-ратурах герметизации. Однако для негерметичных корпусов используется только золотая проволока/ лента, поскольку данный тип корпуса не обеспечивает полную изоляцию от влаги, что приводит к коррозии алюминиевой и медной проволоки.
Размеры проволоки/лент (диаметр, ширина, толщина) более тонкие проводники требуются для схем с малыми контактными площадками. С другой стороны, чем выше ток, протекающий через соединение, тем большее сечение проводников необходимо обеспечить
Прочность на разрыв . Проволока/ленты подвергаются внешнему механическому воздействию в течение последующих этапов и в процессе эксплуатации, поэтому, чем выше прочность на разрыв, тем лучше.
Относительное удлинение . Важная характеристика при выборе проволоки. Слишком высокие значения относительного удлинения усложняют контроль формирования петли при создании прово-лочного соединения.
Выбор метода защиты кристалла
Герметизация микросхем может быть осуществлена помощью корпуса или в бескорпусном исполнении.
При выборе технологии и материалов, которые будут использоваться на этапе герметизации, следу-ет принимать во внимание следующие факторы:
- Необходимый уровень герметичности корпуса
- Допустимые технологические температуры герметизации
- Рабочие температуры микросхемы
- Наличие металлизации соединяемых поверхностей
- Возможность использования флюса и специальной атмосферы монтажа
- Автоматизация процесса герметизации
- Стоимость операции герметизации
В статье приведён обзор технологий и материалов, применяемых для формирования столбиковых выводов на полупроводниковых пластинах при производстве микросхем.