lec16 Пайка и контроль ПП (Лекции проф Давыдова УГГИ), страница 3

Технологии изготовления трафаретов. Главная функция трафарета – облегчить размещение припойной пасты. Цель – нанести точное количество материала на точно определенное место на ПП.

Рекомендованные соотношения шага выводов компонентов, размеров контактных площадок (КП) и размеров отверстий трафаретов приведены в таблице.

Шаг компонентов, мм	Стандарт ширины КП, мм	Стандарт ширины отверстий трафарета, мм	Толщина трафарета, мкм
1,27 1,0 0,825 0,635 0,5 0,425 0,3	0,635 0,5 0,45 0,4 0,3 0,25 0,2	0,635 0,5 0,425 0,3 0,25 0,2 0,15	200 150 125 125 125 120 100

Уменьшение размеров отверстий трафарета по отношению к размерам КП выполняется равномерно со всех сторон и центрируется по КП. Для уменьшения площади стенок окна трафарета и прилипания паяльной пасты к стенкам рекомендуется делать скругленные углы окон в трафарете. Оптимальное соотношение площади отпечатка паяльной пасты к площади стенок окна в трафарете должно быть Sкп/Sбс > 0,80, где Sкп – площадь отпечатка паяльной пасты на плате, Sбс – площадь боковых стенок окна в трафарете.

Рис. 16.1.3.

Наиболее распространены три технологии для производства трафарета – химическое травление, лазерное испарение и электроосаждение. Каждая из них имеет свои особенности. Химически вытравленные трафареты создаются путем травления металлической фольги, покрытой маской из фоторезиста с двух сторон. Профиль отверстий при этом имеет характерный вид (рис. 16.1.3 а). При размере шага в 0,5 мм и менее такой профиль увеличивает сопротивление прохождению пасты, для его устранения применяют электрополирование стенок отверстий трафарета (рис. 16.1.3 б), которое уменьшает поверхностное трение и позволяет хорошо продавливать пасту.

Трафареты с трапецеидальными отверстиями (рис. 16.1.3 в) имеют со стороны основания трафарета большие размеры, чем со стороны вершины. Трапецеидальное отверстие может быть выполнено двумя способами: изменением размеров маски фоторезиста на разных сторонах фольги или изменением давления струи травителя при обработке разных сторон фольги. Такая форма отверстий подходит для шага компонентов 0,5 мм и выше.

Методом химического травления могут быть получены трафареты двойного уровня (ступенчатые), которые позволяют варьировать объем припоя для компонентов, имеющих различный шаг выводов. Ступенчатость должна быть на стороне ракеля, так как сторона основания трафарета должна ровно прилегать к плате. Как и в технологии формирования рисунка ПП методом травления фольги (субтрактивная технология), при химическом травлении трафаретов возникает боковое подтравливание под маску фоторезиста, вызывающее относительное удлинение размеров отверстий. Это относительное удлинение зависит от толщины трафарета, поэтому размер отверстий определяется к толщине фольги как 1,5 к 1. То есть, при 150 мкм толщине трафарета минимальное отверстие будет 225 мкм.

Метод электроформирования трафарета основан на гальваническом наращивании металлической фольги (как правило, Ni) на основании (носителе), на котором сформированы «островки» фоторезистивной маски на месте будущих отверстий. Толщина трафарета может варьироваться от 25 мкм до 0,3 мм и подходит для нанесения пасты для ультрамалых шагов выводов компонентов: от 0,2 мм до 0,4 мм. Отношение размера отверстий к толщине трафарета 1 к 1.

Трафареты, формируемые лазерным испарением, изготавливаются непосредственно по оригинальным данным клиента (Gerber формат) и не требуют фотолитографии. Прямое формирование позволяет повысить точность и воспроизводимость изготовления трафаретов. По сравнению с химическим травлением края отверстий в ряде случаев могут иметь неровности в силу взрывного испарения металла. Процесс долговременный, т.к. машина вырезает каждое отверстие индивидуально. Трафареты могут быть произведены комбинированным способом: химическим травлением для компонентов стандартного шага и лазерным испарением для компонентов малого шага. Готовый трафарет может быть электроотполирован, чтобы обеспечить гладкость стенок отверстий. Лазерная методика – единственный процесс, который позволяет корректировать трафарет во время его изготовления (например, добавлять или изменять существующие отверстия или добавлять реперные знаки).

Процесс трафаретной печати. Для нанесения паяльной пасты могут использоваться ракели различной конструкции и материала, в том числе стальные или полиуретановые. Угол наклона ракеля: 60° - стандартный, 45° для компонентов с шагом <0,4 мм.

Для контактных площадок прямоугольной формы имеет значение направление движения ракеля: вдоль длинной или короткой стороны, поскольку из-за увлечения пасты ракелем вдоль одной из стенок трафарета остаются небольшие пустоты. Разный объем пасты на разных КП может приводить к разной высоте припойных столбиков после оплавления припойной пасты. Это может приводить к дефектам типа «открытое соединение» - отсутствию электрического контакта. Для предотвращения таких дефектов ракель движется под углом 45° к наиболее критичным посадочным местам компонентов. Давление ракеля подбирается опытным путем и зависит от толщины трафарета и скорости перемещения ракеля. После прохода ракеля трафарет должен полностью очищаться от остатков паяльной пасты. Например, значения первоначальной установки давления металлического ракеля составляют от 0,12 кг (на каждый см длины ракеля), при скорости перемещения 50 мм/сек до 0,32 кг, при скорости 150 мм/сек при температуре +23°С. Увеличение или уменьшение рабочей температуры на 1°С требует пропорционального изменения давления ракеля на 5%. Скорость печати может составлять от 30 до 150 мм/сек. Скорость разделения трафарета с печатной платой после нанесения паяльной пасты высокая – 20 мм/сек; для компонентов с малым шагом рекомендуется уменьшить скорость до 10 мм/сек.

После нанесения паяльной пасты на 15÷20 печатных плат рекомендуется произвести очистку трафарета с нижней стороны для предотвращения образования перемычек и шариков припоя в процессе пайки. Для очистки трафарета необходимо использовать только специальные материалы (бумагу и промывочные жидкости). Обычные материалы хуже впитывают влагу и оставляют пыль, нитки и ворсинки, которые могут забивать окна в трафарете и создавать «мостики» между соседними контактными площадками, образуя перемычки припоя в процессе пайки.

Очистка плат после пайки. Обычная ПП содержит много внутренних полостей (в том числе и под компонентами), имеющих выход на поверхность через узкие вертикальные зазоры между компонентами или их выводами. Эти полости способны удерживать продукты разложения флюса и другие загрязнения, которые могут стать источниками коррозии или причиной проникновения внутрь корпусов компонентов веществ, вызывающие повышенные токи утечки. 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), либо неполярными. Свободные ионы, особенно электроотрицательные, обладающие высокой химической активностью, быстро вступают в реакцию с металлом коммутационных дорожек и вызывают коррозию. Неполярные загрязнения ухудшают адгезию припоя, свойства защитного покрытия и электрический контакт для функционального испытания микросборки.

Органические растворители в соответствии с их очистной способностью можно разделить на три группы. Гидрофобные - не смешиваются с водой, используются для растворения органических загрязнений, например канифоли и жиров. Гидрофильные - смешиваются с водой, растворяют полярные и неполярные соединения, причем последние в меньшей степени, чем гидрофобные растворители. Азеотропные - представляют собой в основном смесь вышеуказанных типов растворителей. В их состав обязательно входят такие ингредиенты, как фреон-113 или тетрахлордифторэтан, с добавками спиртов и стабилизирующих ингредиентов.

Очистка изделий с применением растворителей может быть реализована погружением плат в ванну с растворителем, равномерным по полю платы или направленным в виде струй опрыскиванием, либо комбинацией обоих методов. Может применяться ультразвуковое перемешивание при очистке плат в ванне с растворителем. На эффективность очистки может повлиять ряд факторов, в том числе расположение компонентов. Компоненты должны размещаться на поверхности платы таким образом, чтобы их корпуса не загораживали друг друга при движении потока растворителя. Прерывания движения платы и остановки во время пайки волной припоя должны быть сведены к минимуму, чтобы флюс нигде не задерживался в полостях платы. Если используются чувствительные компоненты, рекомендуется обрабатывать микросборки в потоке растворителя. При этом необходимо обеспечить максимальную однородность потока растворителя, а интервал времени между пайкой и очисткой уменьшить до минимума.

16.2. контроль в сборочном производстве печатных плат [4]

На всех стадиях сборочно-монтажных операций выполняются операции контроля: входной контроль, операционный контроль, выходной контроль. По степени охвата большинство операций относятся к сплошному контролю, т.е. проверке подвергаются все модули. Обнаруженные дефекты фиксируются в сопроводительной документации на узел для последующего устранения, для статистического учета и с целью выявления и устранения причин их появления. Протоколирование дефектов в соответствии с программой ведет и автоматическое оборудование.

Визуальный контроль с помощью оператора – самый распространенный способ. Оборудование – микроскоп с увеличением от 2 до 10 крат. Качество контроля зависит от квалификации оператора. Такой контроль применяется в лабораторных условиях или на опытном производстве. В сборочных линиях контроль осуществляют автоматические установки.

Автоматическая оптическая инспекция (АОИ). Автоматизированный контроль реализуется в ходе четырех основных этапов технологического процесса: нанесения припойной пасты, позиционирования компонентов, отверждения адгезива и проверки после пайки.

Очень важна оптимизация процесса трафаретной печати припойной пасты, поскольку она служит источником дефектов пайки (перемычек и непропаев), а дефекты, связанные с пайкой, являются основной причиной отбраковки изделий на выходном контроле. Настоятельно рекомендуется контроль собранных плат после отверждения адгезива. Вследствие недостаточного или чрезмерного количества нанесенного адгезива компоненты могут оказаться приподнятыми под углом по отношению к поверхности платы или установленными с разворотом (смещенными в плоскости платы). Это способствует появлению дефектов при пайке. Отсутствие конвейера для транспортировки коммутационных плат и перемещение плат вручную (после позиционирования компонентов) в камеру для отверждения адгезива может привести к смещению компонентов.

АОИ позволяет контролировать:

- нанесение припойной пасты (недостаточное, избыточное, неточное, позиционирование трафарета);

- качество позиционирования компонентов (отсутствие/наличие компонента, точность позиционирования, включая разворот по горизонтали и вертикали, несоответствие полярности или номера вывода, дефект вывода, наличие посторонних предметов);

- качество паяного соединения (короткое замыкание, непропай, несмачиваемость, излишек или недостаток припоя).

Основой АОИ является формирование изображений объектов и анализ характерных особенностей их элементов. Двухмерное изображение объекта формируется оптическими матрицами. Для повышения контрастности изображения используют дополнительное освещение инспектируемой поверхности. Типичными параметрами установки являются: стандартное поле зрения (порядка 30х50 мм) и поле высокочеткого зрения (порядка 6х8 мм), скорость сканирования (до 18÷36 см²/сек) и количество одновременно обрабатываемых изображений (как правило, более 70). Используются монохромные системы, двух- и трехцветовые (самые распространенные). Фон теплового излучения от платы и компонентов может создавать помехи, компенсация помех выполняется программными средствами. Изображение оцифровывается, и формируется матрица, несущая информацию об объекте. Сформированная картинка может сравниваться с эталонным изображением платы или с информацией о сборке на основании данных CAD и Gerber-файлов. Такие системы позволяют выполнять 100%-ный контроль плат со скоростью до 150 000 компонентов в час, но чувствительны к смене материала платы и компонентов. Большинство АОИ хорошо обнаруживают дефекты расположения компонентов и с меньшим успехом различают дефекты нанесения припойной пасты или качество пайки.

Оптические системы на основе лазеров могут формировать 3-х мерное изображение объектов. Они применяются и для двумерного анализа сборок, особенно в тех случаях, когда наблюдаемые элементы имеют малую высоту или небольшое различие по контрасту (отверстия, реперные точки). Лазерные системы в составе автоматических сборщиков не формируют изображение объекта, а анализируют отражение от компонента, и если присутствует тень вместо отраженного луча, то компонент пропущен при установке и система выдает соответствующее сообщение.

Рентгеновские контрольные технологические установки (РКТУ). Для контроля качества внутренних слоев ПП и качества пайки некоторых типов компонентов применяется анализ изображений, полученных с помощью рентгеновских установок. Изображение внутренних слоев МПП и паяных соединений шариковых выводов корпусов типа BGA, скрытых под днищем микросхемы, может быть получено благодаря высокой проникающей способности рентгеновских лучей и разной способности материалов поглощать рентгеновские кванты. Проникающая способность излучения зависит от его энергии, которая определяется напряжением на рентгеновской трубке. Для пластика ПП достаточно напряжения в 30 кВ, для исследования паяных контактов BGA компонента требуется напряжение 100 кВ. Опасности для персонала такое излучение не представляет, поскольку оно полностью поглощается достаточно тонкими металлическими защитными стенками.

Рентгеновские лучи позволяют получать изображения с разрешением от 0,5 до единиц микрон. Существуют определенные сложности формирования увеличенного изображения объекта в рентгеновских лучах, поскольку для них не существует линз и других элементов обычной оптики. Основная задача лежит на алгоритмах обработки изображения, конвертированного детектором квантов в электрический сигнал. Достаточно хорошо с помощью РКТУ идентифицируются дефекты пайки (непропаи и короткие замыкания), скрытые под корпусами микросхем. С помощью рентгеновского контроля можно обнаружить дефекты типа пустот внутри паяных соединений. Широкое применение рентгеновский контроль нашел в производстве МПП для обнаружения дефектов ширины внутренних проводящих дорожек, расслоения диэлектрика и других. Однако установки весьма дороги, для них характерна низкая скорость контроля, повышенные эксплуатационные расходы.

Электрический контроль. При тестировании электрическим методом платы устанавливаются на адаптеры, построенные по принципу «поля контактов». Для обнаружения коротких замыканий и обрывов используется низкое напряжение (10 В). Высоким напряжением (500 В) тестируется изоляция на утечку и пробой. Наличие тестовых контактов в переходных отверстиях позволяет с высокой точностью локализовать обрывы. Тестирование плат при помощи этого метода занимает несколько секунд. Самой ответственной частью тестеров является тестовый контакт, так как именно от качества контактирования зависит достоверность информации. Тестовые контакты содержат подпружиненную контактирующую часть. Для соединения с переходными отверстиями, выводами штырьковых компонентов, тестовыми площадками предусмотрены различные формы контактирующих соединений - коронка, игла, воронка и др. Слабое место в тестерах такого типа - адаптерная часть, индивидуальная для каждой разновидности платы. Учитывая, что номенклатура изделий на больших предприятиях велика, стоимость всех адаптеров может оказаться выше стоимости самой тестовой системы.

Лучшее решение для производства с большой номенклатурой – применение оборудования, работающего по методу «летающих пробников». Тестеры имеют несколько головок с приводами по осям X, Y, Z, на каждой из которых установлен пробник. Головки поочередно контактируют с платой с подачей и измерением сигнала, для перехода от одной платы к другой достаточно изменить программу тестирования. Программы перемещения пробников методом трансляции из систем CAD значительно сокращают время подготовки тестовой обработки. Вместе с тем метод «летающих пробников» не обеспечивает высокой производительности тестирования, хотя цена на оборудование достаточно высока.

Тестирование многослойных ПП имеет определенные сложности. Обычные способы («поле контактов», «летающие пробники») позволяют найти цепи с имеющимися короткозамкнутыми слоями или проводниками, однако они не определяют их точного местоположения. Если учесть, что стоимость некоторых МПП достаточно велика, то можно говорить о рентабельности оборудования, позволяющего локализовать и устранять такие дефекты. Для точного определения места межслоевого короткого замыкания применяется оборудование, работающее по методу «векторного поиска». Суть его в том, что на область предполагаемого дефекта подается напряжение питания, после чего отслеживается зависимость изменения величины протекающего тока от положения пробника на ПП. В основе приборов с такой технологией применяются очень точные миллиомметр, микровольтметр и миллиамперметр.

Платы для ВЧ-схем. Еще одна особенность оборудования учитывается при тестировании ПП, предназначенных для высокочастотной техники, или плат с контролируемым импедансом. Дорожку в такой плате нельзя рассматривать как простой проводник. В таком проводнике необходимо контролировать волновое сопротивление (импеданс). Волновое сопротивление измеряется рефлектометрическим методом. Происходит наблюдение за формой волнового сопротивления линии передачи по всей ее длине, и при этом измеряется коэффициент отражения импульсов с малым временем нарастания. Рефлектометрические приборы представляют собой сложное измерительное оборудование и применяются, как правило, в лабораторных условиях.

Методы тестирования сборок. Методы тестирования радиоэлектронных изделий на стадии производства подразделяются на два класса – внутрисхемное и функциональное. Каждый из методов отличается способом контактирования с тестируемым изделием.

Внутрисхемное тестирование выполняет проверку отдельных компонентов на плате или фрагментов схем. Применяются методы исключения влияния параллельных цепей. При проверке резистора, например, измеряется именно его сопротивление, а не сопротивление цепи, к которой он подключен. Внутрисхемное тестирование подразделяется в свою очередь на аналоговое и цифровое.

При аналоговом внутрисхемном тестировании обычно проверяется:

- наличие коротких замыканий и обрывов;

- номиналы дискретных компонентов (резисторов, конденсаторов, индуктивностей, дискретных полупроводниковых приборов);

- наличие и правильность установки микросхем.

Влияние параллельных цепей исключается установкой блокирующих напряжений, применением метода многопроводного измерения, точным подбором напряжения и частоты тестирования. Этот метод тестирования позволяет обнаружить до 80% дефектов сборки, поэтому аналоговое внутрисхемное тестирование часто называют анализом производственных дефектов.

При цифровом внутрисхемном тестировании цифровые микросхемы проверяются на соответствие таблице истинности. Для исключения влияния параллельно установленных микросхем (например, при использовании шинной технологии) на вход тестируемой микросхемы подаются импульсы большого уровня с ограниченной длительностью. Такой метод называется backdriving.

Выбор оборудования и метод контактирования для внутрисхемного тестирования зависит от требований и возможностей пользователя. Метод клипс и пробников универсален и недорог, но требует больших временных затрат и высокого уровня подготовки персонала. Обычно его применяют при единичном производстве и при ремонте. Метод «поле контактов» предполагает изготовление тестового адаптера для каждого изделия, но обеспечивает высокую производительность. Используется в среднем и крупносерийном производстве.

Функциональное тестирование предназначено для проверки работоспособности модуля и, при необходимости, его регулировки и настройки. Контакт с изделием осуществляется обычно через краевой разъем. Тестовое оборудование, применяемое при функциональном тестировании, выполняет:

- подачу питающего напряжения с возможностью изменения его в автоматическом режиме, от минимального до максимально допустимого;

- подачу цифровых и аналоговых входных сигналов в широком диапазоне частот и напряжений;

- измерение параметров выходных сигналов;

- эмуляцию нагрузок;

- обмен данными с тестируемым устройством;

- обработку результатов измерений и вывод их на дисплей и принтер в удобном для пользователя виде;

- накопление и обработку статистической информации.

Технологии современного производства постоянно совершенствуются, и в условиях жесткой конкуренции все острее ощущается проблема качества. С помощью одного лишь технологического оборудования решить ее невозможно. Уже сейчас многие отечественные предприятия вводят в производственный процесс системы обеспечения качества, важной частью которых являются системы автоматического тестирования. Они позволяют не только определять производственные дефекты, но и вести статистический учет неисправностей для своевременной корректировки процесса производства, и, следовательно, для повышения качества электронного изделия.

Ремонт печатных плат. Большое количество контрольных операций в сборочном производстве направлено на как можно раннее обнаружение возможных дефектов. Многие ошибки установки компонентов на плату автоматическое сборочное оборудование может устранять самостоятельно. При дефектах нанесения припойной пасты плата очищается и поступает на повторную операцию трафаретной печати.

Операция ремонта узлов выполняется вручную, включается в процесс сборки после стадии пайки узла и соответствующей операции контроля. Ремонт узла заключается, как правило, в замене дефектного компонента или корректировки дефектного паяного соединения в соответствии с рекомендациями стандартов на ремонтные операции. Операция ремонта узла должна быть экономически целесообразной, поскольку процесс замены дефектных компонентов на уже собранной плате чрезвычайно трудоемок и чреват внесением дополнительных дефектов. Поэтому должны учитываться многие факторы, в том числе стоимость узла, дефектного компонента, трудозатраты на ремонт и другие. Дешевые сборки целесообразнее выбрасывать, нежели ремонтировать.

Демонтаж сложных компонентов поверхностного монтажа является прецизионной операцией из-за высокой плотности монтажа. Тепло, необходимое для отпайки компонента, может оказать воздействие на соседние чувствительные к нагреву компоненты и повредить саму ПП. Учет на стадии проектирования требований по обеспечению ремонтопригодности изделия налагает определенные ограничения на процессы сборки и монтажа и в некоторой степени снижает плотность монтажа.

При демонтаже компонентов в корпусах сложной конфигурации доминирующим способом теплопередачи становится конвекция. Приспособление для демонтажа забракованных компонентов оснащено нагревательными капиллярами для разогрева мест пайки со сменными наконечниками, рассчитанными на различные формы и размеры компонентов. Капилляры с наконечниками сконструированы таким образом, что струя горячего газа (воздуха) направляется на выводы компонента. Удаление дефектного и установка на его место исправного компонента производится с помощью вакуумного пинцета. В ряде случаев используется микроскоп, который обеспечивает контроль точности позиционирования компонента. Типичная операция по исправлению брака может занять до 30 минут и включает следующие этапы.

1. Подготовка платы к демонтажу компонента:

- очистка паяных соединений, удаление загрязнений и конформных покрытий с помощью растворителя или абразивного материала;

- снятие теплоотвода (если он имеется);

- защита соседних компонентов;

- покрытие флюсом концов выводов компонента, припаянных на контактных площадках платы, с целью обеспечения надежного расплавления припоя.

2. Разогрев паяных соединений:

- предварительный разогрев микросборки;

- разогрев выводов исключительно горячим газом (воздухом или азотом).

3. Снятие компонента со знакоместа с помощью вакуумного пинцета.

4. Очистка платы, удаление остатков флюса, загрязнений и излишков припоя.

5. Защита подготовленного знакоместа, если замена компонента откладывается.

6. Замена компонента:

- нанесение флюса на концы выводов компонента и места пайки с последующим их облуживанием;

- позиционирование компонента с помощью вакуумного пинцета;

- оплавление припоя горячим газом;

- очистка платы после пайки с целью удаления продуктов разложения флюса.

Исправление брака, в сущности, сводится к повторному выполнению определенной части сборочно-монтажных операций. Необходим тщательный контроль и управление процессом устранения брака, чтобы исключить возможность повреждения годного (заменяющего бракованный) компонента, а также соседних компонентов и элементов коммутационной платы. Надежной гарантией от проблем, связанных с ремонтом изделий, является обеспечение высокого качества процесса сборки и обязательный контроль процесса монтажа.

Литература

1. Ивченко В.Г. Конструирование и технология ЭВМ. Конспект лекций. - /Таганрог: ТГРУ, Кафедра конструирования электронных средств. – 2001. - http://www2.fep.tsure.ru/russian/kes/books/kitevm/lekpart1.doc

2. Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры: Учебник для вузов. – М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. – 528 с. URL: http://slil.ru/22574041/529407141/Konstruktorsko-tehnologicheskoe_proektirovanie_elektronnoj_apparatury.rar

3. Технология приборостроения: Учебник / Под общей редакцией проф. И.П.Бушминского. – М.: МГТУ им. Н.Э.Баумана. URL: http://www.engineer.bmstu.ru/res/RL6/book1/book/metod/tpres.htm

4. Тупик В.А. Технология и организация производства радиоэлектронной аппаратуры. – СПб: Издательство: СПбГЭТУ "ЛЭТИ" – 2004. URL: http://dl10cg.rapidshare.de/files/31510061/4078542704/tehnologiya.i.organizaciya.proizvodstva.radioelektronnoj.apparatury.pdf.rar

Главный сайт автора ~ Лекции по конструированию аппаратуры

О замеченных опечатках, ошибках и предложениях по дополнению: davpro@yandex.ru.

Copyright ©2006 Davydov А.V.