lec15 Установка компонентов на ПП (Лекции проф Давыдова УГГИ), страница 2

Рис. 15.1.6.

Четвертый тип корпусов для ИМ (рис. 15.1.6) – компоненты BGA (Ball Grid Array – шариковые выводы с матричным расположением) и технология CSP (Chip-Scale Packages), флип-чип (flip chip). Отличительной чертой корпусов является наличие контактов на нижней плоскости корпуса в виде шариковых выводов. Такая конструкция корпуса позволила увеличить шаг выводов, и для большинства корпусов он составляет 1,0 или 1,27 мм, что упрощает разводку проводников на ПП. Количество выводов корпуса от 36 до 2401, при этом габариты от 7х7 до 50х50 мм. Высота корпуса не превышает 3,5 мм. Кроме того, шариковые выводы на основе SnPb сплава дали удивительное послабление технологам при выполнении операций установки корпуса на плату: неточность попадания выводов на контактную площадку ПП может составлять до 50%! Все дело в том, что при оплавлении припойной пасты на контактных площадках во время пайки за счет сил поверхностного натяжения расплавленного припоя происходит самоцентрирование корпуса микросхемы.

Недостатком корпусов типа BGA является затрудненный контроль операции пайки и ремонт узлов. Для контроля соединений BGA в узле используются чаще всего рентгеновское оборудование. В последние годы инфраструктура BGA развивалась стремительно, и сейчас известно много видов этого типоразмера, включая пластиковые, керамические, металлические, и другие, а также микро-BGA, напоминающие собой открытые кристаллы. BGA предпочтительнее там, где количество каналов ввода/вывода ИС превышает 256.

Рис. 15.1.7.

CSP обычно определяется как компонент, размером не более чем на 20 % превышающий размер самого кристалла (рис. 15.1.7). Первоочередными областями применения этих компонентов являются микросхемы памяти (особенно флэш), аналого-цифровые преобразователи, процессоры цифровой обработки сигнала, а также микросхемы специального применения (ASIC) и микропроцессоры.

Технология флип-чип представляет собой Si-кристалл, непосредственно устанавливаемый на коммутационную подложку узла (например, ПП) лицевой стороной вниз, на которой выполнены внешние контакты в виде припойных шариков из более тугоплавкого сплава, чем SnPb. Из-за того, что выводы формируются на кремниевом кристалле микросхемы, шаг выводов является очень малым и составляет 0,152 мм, что приводит к усложнению ПП. Преимущества технологии:

- экономия места на ПП;

- малые габариты и вес узла с такими компонентами;

- снижение стоимости материалов (у кристалла нет корпуса);

- сокращение длины электрических соединений, что обеспечивает лучшие электрические параметры;

- меньшее количество соединений, что сокращает количество потенциальных точек отказа и обеспечивает более эффективный отвод тепла.

Технология популярна в последние годы, но имеет и свои недостатки:

- дороговизна технологии формирования шариковых выводов у кристалла;

- чрезвычайно плотная разводка платы под посадочное место для флип-чипа, что приводит к повышению расходов на изготовление платы;

- больший объем работы технологов по оптимальному выбору флюсующих веществ и адгезивов в зависимости от вида флип-чипа, подложки и процесса;

- трудности контроля качества в технологии флип-чипов, а также ремонта плат с их применением.

Нестандартные и выводные компоненты. Автоматизация сборки на платы нестандартных компонентов весьма дорога из-за их малого количества на плате и большого разнообразия типов конструкций. Однако последние годы автоматизация процессов, связанных с нестандартными компонентами, развивается весьма активно, что приносит производителям электронных модулей существенные преимущества. Быстро развивается инфраструктура поддержки данного направления технологии. Разрабатываются новые типы корпусов, близкие по формам к стандартным, которые способны выдерживать высокие температуры при пайке оплавлением припойных паст. В последнее время электронная промышленность мира быстро движется к установлению единых стандартов сборочно-монтажных технологий при использовании нестандартных компонентов.

Сборочно-монтажные технологические процессы с применением традиционных выводных компонентов стояли у истоков автоматизации сборки узлов РЭА. В свою очередь, зарождение технологии монтажа на поверхность и ее бурный рост в 80-90-е годы породили мнение о том, что компоненты с традиционными выводами доживают свой век. Однако технология сборки выводных компонентов выжила перед лицом монтажа на поверхность, показав себя достаточно конкурентоспособной по ряду важнейших факторов.

Инфраструктура технологии монтажа в отверстия гораздо проще и эффективнее, чем технологии монтажа на поверхность. Это приводит к тому, что в развивающемся производстве отраслевого технического обеспечения сборочные процессы всегда начинают с технологии выводных компонентов, что выгодно и по экономическим причинам, поскольку электронные изделия специального назначения в лучшем случае являются малосерийными с подавляющим применением выводных компонентов.

В современной технологии сборки выводных компонентов можно отметить следующие тенденции:

- она развивается в тех отраслях, где ощущается недостаток инвестиций, где низка стоимость рабочей силы, и где квалификация операторов, обслуживающего персонала и технологов находится в состоянии развития;

- в ряде случаев полностью отсутствуют компоненты в поверхностно-монтируемом виде либо они слишком дороги. Это силовые устройства (регуляторы напряжения, транзисторы, диоды, резисторы), а также ряд электролитических конденсаторов, потенциометров, индуктивностей, реле и оптоэлектронных устройств.

Ведущие производители оборудования для сборочно-монтажных процессов в технологии выводных компонентов видят своей главной задачей в ближайшем будущем значительное улучшение технологии сборки и разработки машин и систем нового поколения. Поддержка и инвестиции этого направления гарантированы, поскольку даже сейчас технология монтажа в отверстия обеспечивает наиболее низкую стоимость и наиболее высокую производительность (в пересчете на 1 м² занимаемой площади), а потому имеет весьма прочные позиции в значительном количестве сборочных производств.

15.2. СБОРКА МОДУЛЕЙ на печатных платах [4]

Установка компонентов на ПП является наиболее важной и сложной операцией в технологическом цикле. Производительность установки компонентов на плату определяет общую производительность монтажного участка.

Наиболее простой, но малопроизводительный метод установки компонентов – ручной, при помощи соответствующего инструмента. В этом случае большую роль играют субъективные факторы, уровень профессионализма и опыт оператора. Установка сложных и мелких компонентов отнимает у оператора много времени, а для установки компонентов в корпусах BGA необходимо специальное оборудование. Уменьшение шага компонентов и размеров контактных площадок приводит к повышению требуемой точности установки компонента на плату. Если для DIP компонента с шагом 2,5 мм достаточна точность ±0,25 мм, то для шага 0,63 мм она возрастает до ±0,05 мм, а для шага 0,5 и менее ±25 мкм. Выдерживать и сохранять такую точность в течение рабочей смены оператору крайне сложно, поэтому для поверхностного монтажа более характерна полуавтоматическая или автоматическая сборка.

Полуавтоматическая сборка. Из практики сложились следующие требования по точности позиционирования компонентов. На контактную площадку (КП) должно приходиться не менее 60% ширины вывода и выступ за пределы КП не должен превышать 25 мкм. Размеры КП и расстояния между компонентами наиболее важны с точки зрения технологичности. Плотность компоновки определяет и ценовые критерии установки компонентов, пайки, очистки, проверки и ремонтопригодности.

Самыми простыми и недорогими устройствами для установки поверхностно монтируемых компонентов являются ручные манипуляторы, которые обычно состоят из следующих узлов:

1. Базовое устройство с пантографом.

2. Головка с автоматическим вакуумным захватом.

3. Встроенная вакуумная помпа или внешний компрессор.

4. Набор вакуумных наконечников.

5. Карусельный питатель для подачи компонентов из россыпи.

Установка состоит, как правило, из рабочего поля, на котором закрепляется плата. Над ней в полуавтоматическом режиме перемещается вакуумная присоска, предназначенная для захвата и перемещения компонента из накопителя на его место на плате. Оборудование комплектуется набором различных накопителей для компонентов (ленты, пеналы или поддоны). Полуавтоматы по установке компонентов позволяют монтировать до 400÷500 компонентов в час.

Автоматическая сборка. Наиболее сложным, дорогим и высокопроизводительным оборудованием являются автоматические установщики. Принцип их работы состоит в следующем. Файлы САПР транслируются в исполнительные программы, посредством которых монтажная головка устройства автоматически перемещает компонент из накопителя на место его монтирования на плате. Производительность автоматических установщиков компонентов может доходить до 100 тыс. компонентов в час. Номенклатура устанавливаемых компонентов от ограниченного числа чипов и микросхем, наиболее простых для установки, до сложных компонентов, таких как чипы 0402 и 0201, ИМ с шагом выводов менее 0,6 мм и корпусов с шариковыми выводами (BGA). Наиболее дорогостоящее оборудование позволяет монтировать и некоторые выводные компоненты. Максимальная величина формата плат может достигать значения 457x508 мм. Формат головок для захвата и установки компонентов диктует ограничения на максимальную плотность монтажа платы. Ограничения на размещение компонентов (зазор между соседними корпусами, высота рядом расположенных корпусов) налагают также установки оптического контроля качества нанесения паяльной пасты и пайки.

В автоматах установщиках большое значение имеет используемое ПО. Желательно, чтобы оно имело следующие возможности:

- оптимизации исполнительной программы установки компонентов с точки зрения наиболее короткого перемещения головки;

- моделирование работы оборудования, позволяющее вычислять время сборки продукта без реального запуска автомата;

- сбор статистической информации о параметрах работы оборудования;

- возможность отбраковки помеченных бракованных плат;

- защита от несанкционированного или неквалифицированного доступа.

Выбор оборудования необходимо проводить исходя из особенностей конструкции платы и производительности участка. При лабораторном производстве оптимально использование полуавтоматов. При больших объемах производства необходимо использование автоматов, которые помимо увеличения производительности повышают качество изделия и снижают вероятность ошибок.

Способы позиционирования. В технологии поверхностного монтажа компонентов различают четыре способа позиционирования компонентов:

Рис. 15.2.1.

• Конвейерное позиционирование ("поточно-последовательное"). Плата движется по конвейеру вдоль нескольких модулей позиционирования. Каждый модуль осуществляет размещение одного типа корпусов (рис. 15.2.1).

Рис. 15.2.2.

• Последовательное единичное либо групповое позиционирование. Одна или две управляемые от ЭВМ монтажные головки выбирают компоненты из питателей и устанавливают их на плате. В некоторых автоматах подвижная головка перемещается в двух направлениях (X и Y). Более частот применяются автоматы, где под неподвижную головку подводится подвижный стол для позиционирования компонентов (рис. 15.2.2).

Рис. 15.2.3.

• Последовательно-параллельное позиционирование. Последовательно-параллельное позиционирование называют также синхронно - последовательным, поскольку оно осуществляется в несколько приемов, причем за один прием устанавливается сразу несколько компонентов в корпусах различной сложности. В этом случае автоматы имеют координатный столик, на котором крепится плата и последовательно расположенные монтажные многозахватные головки. Столик по программе может перемещаться по осям X-Y. Каждая головка устанавливает свой тип компонента либо последовательно, либо одновременно (рис. 15.2.3).