Технологические линии поверхностного монтажа в мелкосерийном многономенклатурном производстве

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ПОВЕРХНОСТНОГО МОНТАЖА В МЕЛКОСЕРИЙНОМ МНОГОНОМЕНКЛАТУРНОМ

ПРОИЗВОДСТВЕ

В.Н. Гераничев

Главным преимуществом технологии поверхностного монтажа (ПМ) является возможность автоматизации процесса электромонтажа, что резко снижает себестоимость продукции, высвобождает людские ресурсы, уменьшает производственные площади до 30%. Максимальный эффект при этом достигается, как правило, в случае серийного производства. Переход на технологию ПМ в электронной промышленности во многом был предопределен развитием элементной базы в сторону повышения ее функциональности и миниатюризации. Увеличение интеграции кристаллов, сопровождаемое возрастанием количества выводов БИС и уменьшением расстояния между контактами, привело к необходимости применения взамен резистивного паяльника современного оборудования, способного обеспечить высокие требования к качеству и надежности печатных плат. В то же время по сравнению с монтажом в отверстия при ПМ компоненты электронных модулей подвергаются более жестким технологическим воздействиям, обусловленным групповыми методами пайки. Широкому распространению ПМ способствовала успешная работа отечественных и зарубежных производителей по доработке существующих элементов до требований ПМ и разработка новых элементов, не имеющих аналогов в исполнении для монтажа в отверстия. Сейчас доля электрора-диоизделий, пригодных для установки по технологии поверхностного монтажа, составляет 70% от всего объема производимых компонентов. Был создан широкий класс пассивных элементов для ПМ и проведена межгрупповая унификация по следующим группам элементов:

• постоянные резисторы цилиндрической формы с металлизированными выводами типа MELF (отечественный аналог Р1-11);

• постоянные прямоугольные чип-резисторы (аналог Р1-12);

• керамические монолитные чип-конденсаторы (типа К10-17, К10-47, К10-73);

• конденсаторы оксидно-полупроводниковые, танталовые и алюминиевые.

В исполнении для монтажа на поверхность выпускаются также соединители, переключатели, пьезоэлектрические элементы, кварцевые резонаторы. Примерно 30% от общего числа компонентов, выпускаемых для ПМ, приходится на активные элементы, из которых 20% - дискретные полупроводниковые приборы в корпусах SOT, которые применяются для герметизации транзисторов, диодов, стабилитронов, варикапов, и 10% - интегральные микросхемы с кристаллами, капсулированными в корпуса типа SOIC, PLCC, QFP, BGA и другие.

Появление в настоящее время на отечественном рынке технологического оборудования различной производительности и точности с развитым программным обеспечением и широкого спектра электронных компонентов, особенно интегральных микросхем для поверхностного монтажа различного уровня качества - от коммерческого и индустриального до классов S и В, сделало технологию поверхностного монтажа привлекательной и для мелкосерийного производителя изделий электронной техники.

В данной статье рассмотрен вопрос подготовки производства для выпуска малых серий печатных плат с использованием технологических линий поверхностного монтажа. Уделено внимание методическим вопросам обеспечения заданного уровня качества продукции и внедрения технологического процесса.

Одной из главных задач подготовки производства является подбор оборудования для создания технологической линии поверхностного монтажа. Правильный выбор оборудования может быть сделан только на основе расчета экономических показателей производства, проведенного с учетом перечня продукции, выпускаемой предприятием,

ее маркетинговых характеристик и требований к качеству продукции. Проведенный анализ предлагаемого на отечественном рынке технологического оборудования [1] с учетом опыта эксплуатации оборудования на различных предприятиях позволил определить круг фирм-поставщиков и требуемый вариант комплектации оборудования для мелкосерийного многономенклатурного производства. На рис.1 приведена аппаратурная реализация традиционной для поверхностного монтажа последовательности технологических операций - нанесение паяльной пасты (1), установка компонентов (2), оплавление пасты (3).

плата Дозатор Dotmaster SMDU-5001 1.Установщик Preciplacer PP-2003 2. Микроустановщик MPT 3100 Конвейерная печь Passaat SMR0-0406

w

на контроль -

Рис.1. Блок-схема технологической линейки поверхностного монтажа.

Дозатор Dotmaster SMDU-5001

Дозатор служит для автоматического нанесения паяльной пасты на контактные площадки печатных плат. Перемещение картриджа с распределяемым материалом по осям Х,У,2 осуществляется с помощью шаговых двигателей, имеющих разрешение 0,1 мм. Производительность до 10000 точек/час. Для нанесения пасты в дозаторе применен диспенсерный насос с архимедовым винтом, который используется для управления размерами точек паяльной пасты и достижения высокой степени повторяемости результатов. Размер получаемой точки пропорционален времени вращения архимедова винта.

Создание точек одного размера без диспенсерного насоса практически невозможно, так как их размер зависит не только от времени диспенсирования, но и от диаметра иглы, давления воздуха, прикладываемого к картриджу и вязкости паяльной пасты. Надежность соединения в большой степени определяется правильно подобранным количеством паяльной пасты, при котором сквозь паяное соединение просматривается форма контакта компонента (скелетная пайка). Для различных групп компонентов требуются точки разного размера, каждая из которых характеризуется определенными условиями образования (диаметр иглы, угол поворота архимедова винта, время задержки иглы над платой).

После того как экспериментальным путем сформирована база данных по точкам, каждой контактной площадке на плате ставится в соответствие необходимая точка из базы данных и координаты X,Y в системе координат дозатора, скорректированные по реперным меткам платы. Созданный таким образом рабочий файл может быть сохранен в архиве, и при необходимости в него легко внести изменения. Перестройка дозатора на новую плату благодаря удобному интерфейсу занимает немного времени.

Полуавтоматический установщик Preciplacer PP-2003

Preciplacer наиболее эффективен при установке chip-компонентов, корпусов SOT, и микросхем с небольшим количеством выводов. Сведена к минимуму возможность ошибочных действий оператора за счет программирования процесса установки компонентов в режиме обучения. Установочная головка блокируется при попытке захвата элемента, не предусмотренного в данной операции. Каждый элемент может быть перенесен только в точку с координатами, которые были определены для этого элемента на стадии обучения. Важной чертой Preciplacer является совместимость с питателями разного типа, что обусловливает гибкость при переходе на новые изделия. Допускается установка одновременно группы из 12 ленточных питателей с идентификацией до 15

таких групп. Альтеративно ленточным питателям может быть установлена карусель на 40 ячеек для работы с россыпными компонентами

Микроустановщик МРL 3100

Служит дополнением к Preciplacer и обеспечивает установку микросхем с малым шагом и в специальных корпусах BGA, Micro-BGA, Flip-chip. Принцип действия основан на выравнивании положения компонента относительно посадочного места на печатной плате по совпадению на экране монитора цветных изображений выводов компонента (вид снизу) и контактных площадок платы (вид сверху), создаваемых с помощью призмы. Перемещая плату в фиксаторе и вращая компонент, добиваются полного совпадения изображений. Прецизионные направляющие позволяют переместить компонент вниз и осуществить его установку с точностью ± 0,02мм.

Конвейерная конвекционная печь Passaat SMRO-0406

Печь оплавления припоя Passaat содержит 4 зоны нагрева, что практически достаточно для точного соблюдения термовременных профилей, удовлетворяющих требованиям ведущих изготовителей паяльных паст и ограничениям, указанным в сертификатах на наиболее чувствительные к перегреву электронные компоненты. Управление печью осуществляется от встроенной панели управления или с помощью персонального компьютера. Микропроцессор печи контролирует температуры зон нагрева, скорость движения конвейера и предусматривает подключение двух проходных термопар к плате для контроля процесса пайки в камере печи в реальном времени на экране монитора. Получаемые термопрофили дают оператору представление о влиянии температуры на процесс пайки. Термопрофили представляются в графическом виде и могут быть сохранены и проанализированы в дальнейшем. Печь снабжена пальчиковым конвейером, позволяющем проводить пайку компонентов на плату по технологии двустороннего монтажа.

Отличительной особенностью данной технологической линейки является повышенное внимание к качеству продукции, что обеспечивается:

• применением автоматического дозатора, совмещающего возможность быстрого перепрограммирования с высокой производительностью и точностью диспенсирова-ния,

• установкой chip-компонентов под управлением ПК, блокирующего неразрешенные действия,

• наличием дополнительного оборудования для установки компонентов с малым шагом,

• четырехзонной конвейерной печью, обеспечивающей стабильный температурный профиль при длине рабочей камеры 1650 мм.

Для операции контроля используется система визуального контроля Ersascope 3000, представляющая собой микроэндоскоп с видеокамерой с увеличением до 314 раз. Прямая и встречная мощная волоконно-оптическая подсветка обеспечивает возможность визуальной инспекции паяных выводов под корпусами компонентов, компланарности выводов микросхем с малым шагом и отсутствия между ними перемычек. Er-sascope обладает обширной базой данных по дефектам, что позволяет выполнять основные шаги по контролю качества паяных соединений: визуальный осмотр - нахождение дефекта - идентификация дефекта - анализ причин возникновения дефекта. Система значительно дешевле рентгеновских средств контроля, безопаснее, проста в использовании и при тщательной отработке технологического процесса монтажа достаточна для обеспечения контроля качества продукции.

Традиционный подход разделяет процессы производства и контроля. Предполагается, что качество должно обеспечиваться на этапе контроля путем отбраковки экземпляров, не соответствующих установленным требованиям. Основные недостатки этого подхода - большие издержки, связанные с дорогостоящим браком и организацией са-

мой системы стопроцентного контроля. Более предпочтителен подход, основанный на методологии, позволяющей уменьшить выход некачественной продукции, в основе которой лежит получение информации о технологических процессах и управление ими вместо управления уже готовой продукцией [2]. Управление качеством процесса происходит в его определенных критичных узлах, что позволяет изменить процесс до того, как в нем будут изготовлены дефектные детали.

На рис.2 приведена внедряемая в производство схема системы контроля и управления технологическим процессом поверхностного монтажа.

Нанесение паяльной Печатная плата

W пасты

Визуальный контроль Контроль точности нанесения

Установка элементов на поверхность платы

Визуальный контроль Контроль точности установки

On-line контроль технологической

операции оплавления

Оплавление паяльной пасты в печи

Отмывка платы после пайки

1L

Контроль качества паяных соединений

Компоненты для установки

1

Исправление брака

Рис. 2 Схема системы контроля и управления технологического процесса

поверхностного монтажа

Перечень критичных узлов и связанных с ними критичных технологических операций зависит от маршрута технологического процесса, режимов выполнения операций, технических характеристик используемого оборудования и степени влияния операций на характеристики продукции. На рис.2 следующие технологические операции отнесены к критичным:

• нанесение паяльного материала на электромонтажные элементы печатной платы,

• установка элементов на поверхность платы,

• оплавление паяльной пасты.

В левой части схемы показаны связи, по которым происходит управление технологическим процессом.

На рис.3 показана блок-схема внедрения технологического процесса поверхностного монтажа. По каждой критичной операции методом анализа экспериментальных данных и технических характеристик оборудования устанавливается перечень критичных параметров, которые должны контролироваться в ходе работы. Результаты on-line и off-line контроля параметров используются для выработки корректирующих и предупреждающих действий.

Требования к процессу

Разработка технологического процесса поверхностного монтажа

Разработка методик контроля критичных параметров Соответствие процесса требованиям

Утверждение технологического процесса Эксплуатация в производстве Контроль и регулирование критичных операций Сравнение с утвержденным процессом

Реальный процесс соответствует требованиям утвержденного процесса

Корректирующие и предупреждающие действия

Рис.3. Блок-схема внедрения технологии поверхностного монтажа

Организация внедрения технологического процесса разбита на два этапа. На первом этапе происходит разработка технологического процесса, определяется перечень контролируемых параметров с номинальными значениями и их допусками, удовлетворяющими требованиям заказчика. Разрабатываются документированные процедуры контроля и регулирования по каждому критичному параметру. Осуществляется всестороннее изучение технологического процесса с целью получения уверенности в подконтрольности процесса и его стабильности во времени. В конце этого этапа происходит утверждение стандарта на технологический процесс. Отладка процесса и оборудования ведется до получения продукции заданного качества.

Целью второго этапа является проверка в ходе производственной эксплуатации соответствия реального процесса утвержденному стандарту. При несоответствии технологического процесса стандарту принимаются корректирующие и предупреждающие действия, направленные на стабилизацию процесса, связанные с регулированием соответствующей технологической операции и оборудования, контролем паяльных материалов, корректировкой системы управления технологическим процессом.

Предлагаемые методика управления качеством технологического процесса поверхностного монтажа и рекомендации по его внедрению позволяют ускорить стадию подготовки производства и оценить технологически воспроизводимый уровень продукции, планируемой к выпуску.

Литература

1. Новоселов В., Смирнов А. Инструмент и оборудование для монтажа компонентов. Контуры российского рынка. // Электронные компоненты.2002. №7.

2. Игнатьев М.Б. и др. Модели и системы управления комплексными экспериментальными исследованиями. М.: Наука, 1986.