Опыт ФГУП УЭМЗ по внедрению технологии смешанного монтажа печатных плат

Компоненты и технологии, № 3'2005

Опыт ФГУП УЭМЗ*

по внедрению технологии смешанного монтажа

Конструирование изделий с поверхностным монтажом может быть довольно гибким. При необходимости на одном печатном узле можно использовать компоненты, устанавливаемые как в отверстия печатной платы, так и на ее поверхность.

Василий Штенников

Shtennikov@mail.ru

*Уральский Электромеханический Завод

Технология поверхностного монтажа по сравнению с монтажом компонентов в отверстия печатных плат обладает рядом преимуществ: миниатюризация электронных блоков, рост функциональных возможностей, исключение операций формовки, лужения и обрезки выводов, высокая степень автоматизации, малая занимаемая площадь под оборудование. Кроме того, корпуса элементов для поверхностного монтажа более устойчивы к воздействию вибрации, чем их традиционные аналоги, что представляет определенный интерес для продукции специального назначения. Использование технологии поверхностного монтажа позволяет значительно уменьшить размеры прибора, обеспечить большую надежность изделия, повысить технологичность прибора по сравнению с аналогичным, произведенным с использованием монтажа компонентов в отверстия печатных плат. Введение технологии поверхностного монтажа дает значительную экономию по трудоемкости производства, экономию по затратам на комплектующие за счет низкой стоимости элементной базы и по вспомогательным материалам за счет более экономного и точного использования. Перечисленные преимущества определяют быстрое распространение технологии поверхностного монтажа во всем мире.

Тем не менее широкому внедрению технологии поверхностного монтажа мешает ряд обстоятельств, основные из которых, по нашему мнению, следующие:

• необходимость изменения старых изделий под новую технологию;

• приобретение нового комплекта оборудования;

• организация нового вида производства и обучение персонала;

• стремление производителей максимально выработать оборудование для монтажа компонентов в отверстия печатных плат;

• демпинговые цены на традиционную элементную базу, связанные с заинтересованностью их производителей до конца исчерпать соответствующие ресурсы;

• отсутствие ряда позиций компонентов в исполнении для поверхностного монтажа.

Из-за наличия проблем, перечисленных ранее, на ФГУП УЭМЗ была отработана и успешно внедрена технология смешанного монтажа, при которой используется оборудование как для традиционного, так и для поверхностного монтажа.

Процесс смешанного монтажа, освоенный на предприятии, охватывает следующие операции:

• нанесение клея на печатную плату;

• позиционирование и установка поверхностно монтируемых компонентов (ПМК) на плату;

• отвердение клея;

• установка компонентов в отверстия печатных плат;

• пайка печатных плат двойной волной припоя;

• контроль и исправление дефектов паяных соединений;

• монтаж термочувствительных компонентов;

• промывка печатной платы;

• функциональный контроль и настройка печатной платы.

Неудачно выбранная стратегия проектирования изделий или технологии может привести к возникновению ряда проблем. Так, печатные узлы с поверхностным монтажом сложнее проверять, чем с традиционными компонентами. Как правило, более сложным оказывается и ремонт печатных узлов. Использование поверхностного монтажа предполагает применение печатных плат с минимальной шириной печатных проводников и зазоров между ними. Это может привести к образованию перемычек в процессе механизированной пайки. Поэтому необходимо использовать защитную маску. Коэффициент температурного расширения печатных плат должен быть таким же, как и у поверхностно монтируемых элементов. Не все поверхностно монтируемые компоненты выдерживают температуру расплавленного припоя и поэтому требуют других методов групповой пайки или ручного монтажа. Визуальный контроль качества пайки затруднен при использовании поверхностно монтируемых компонентов с П-образными выводами или компонентов с шагом выводом менее 1,25 мм.

Компоненты и технологии, № 3'2005

Освоенные нами печатные платы содержат элементы с типом корпуса 1206 и 0805 (конденсаторы и резисторы), а также транзисторы в корпусе 80Т-23. Габариты и тех и других компонентов около 3 мм в длину и 1,5 мм в ширину. С учетом этой особенности проблемы, связанные с монтажом сложных корпусов, в настоящей публикации не рассматриваются.

При организации производства с использованием технологии поверхностного монтажа следует учитывать ряд моментов, отличающих этот вид монтажа от традиционного. Это специальная форма поставки компонентов (СЫр-компоненты и Э0Т-23 поставляются в 8-миллиметровых лентах), специальные монтирующие автоматы, спроектированные под поверхностный монтаж печатные платы, новая технология нанесения, отвердения клея, существенные отличия в оборудовании и технологии пайки. Для внедрения технологии смешанного монтажа необходимо считаться с особенностями традиционного и поверхностного монтажа компонентов.

Нанесение клея и размещение поверхностно монтируемых компонентов

Для реализации технологии смешанного монтажа предприятием была приобретена установка нанесения клея и размещения компонентов С8М60. Исследования включали: настройку узлов, приемы работ, в том числе с компьютером, подготовку машины для нанесения клея для размещения компонентов, подготовку питателей с компонентами, профилактику.

Настройка установки проводилась в ручном режиме: скорость движения платы, раздвижка конвейера, настройка стопоров и фиксаторов, плавности движения дозатора и насадок для компонентов, температуры клея, давления воздуха.

Параметры машины: длина обрабатываемой платы 50-649 мм, ширина — 30-406 мм. Питатели компонентов: ленточные 8-44-миллиметровые, стержневые (пеналы), подносы для больших корпусов. Максимальное количество 8-миллиметровых питателей — 60 шт. Количество головок — 3 (одна на клей, две на компоненты). Максимальная скорость нанесения клея — до 10 тыс. точек в час. Высота конвейера (захват платы) 900±10 мм. Напряжение питания 100-240 В, 50-60 Гц. Максимальная потребляемая мощность 2,5 кВт. Потребность в воздухе — 3000 литров в час (отсос). Размеры машины: длина 1413 мм, ширина 1112 мм, высота 1220 мм, вес 580 кг.

Возможности машины СЭМ60: максимальная скорость установки компонентов —

4 500 СЫр-элементов в час. Фиксация печатных плат (ПП) как с базовыми отверстиями, так и по сторонам с последующей точной подстройкой в автоматическом режиме по эталонным точкам (меткам) на ПП. Возможность распознавания ПП, которые не надо монтировать из-за их браковки (случай обработки пакета плат на общей заготовке или в линии на конвейере — вслепую). Установка позволяет работать как независимо от внешней компьютерной сети в автономном режиме,

так и с выносной ЭВМ или в сети их. Последняя возможность позволяет составлять и менять программу, не прерывая установку. Возможности машины позволяют использовать ее для монтажа поверхностно монтируемых элементов на любые платы. Ограничения налагаются только по производительности.

Для формирования программы необходимо знать координаты каждого из компонентов и координаты точек нанесения клея. С учетом ориентировки компонентов в лентах необходимо также завести угол поворота головок для нанесения клея и компонентов. Особое внимание необходимо уделить точке начала отчета относительно «нуля» машины (правила работы типичны для подобных машин при изготовлении «голых» печатных плат и в механообработке). Всегда имеется возможность проверить правильность составления программы в замедленном режиме, по точкам нанесения клея, по ориентировке компонентов.

Для осуществления операции пайки поверхностно монтируемых компонентов необходимо их предварительно закрепить, если используется пайка волной припоя. Основная проблема при ручном нанесении клея — точность его позиционирования, которая измеряется долями миллиметра. Уже это оправдывает закупку оборудования типа CSM60, которое кроме нанесения клея обеспечивает размещение компонентов и нанесение пасты при необходимости.

Печатная плата должна быть свободна от различных загрязнений, что не является проблемой для предприятия с высокой культурой производства, но может быть причиной многих бед для начинающих производителей электронной техники. Доза припоя должна быть строго выдержана. Ее уменьшение ведет к отрыву компонента, увеличение — к попаданию на контактную площадку и образованию дефектного паяного соединения. Необходимо выдерживать принцип: «как можно меньше, но столько, сколько требуется». Размер капли под Chip-элементы и SOT-23 должен быть около 1 мм, не более. По нашим данным, для Chip 1206 диаметр капли должен быть 1,0 мм, для Chip 0805 и SOT-23 — около

0,8 мм. В течение дня клей, нанесенный на плату, можно оставлять без элементов, в дальнейшем он сильно расползается. Под корпус Chip-компонента необходимо наносить одну каплю, под SOT-23 — две капли по углам стороны с одним выводом. Приводимые рекомендации распространяются на специальный клей Heraeus ЗВ 860002SP. Для обеспечения требуемой дозы необходимо обеспечить стабильность давления воздуха и температуры рабочего объема. Используемая насадка имеет диаметр 0,4 мм. Величина дозы должна быть

0,6-1,6 мм. Оптимальные значения для силы сдвига (момент вращения) 200 Н/см для Chip 1206, SOT-23 и 100Н/см для Chip 0805. На предприятии отработана методика контроля вязкости клея. Оптимальный срок хранения клея при температуре 15-25 °С около 6 месяцев. Не допускается снижение температуры клея ниже 10 °С.

При нанесении клея необходимо, во-первых, учитывать «стартовый эффект», во-вторых, заполнять рабочий объем шприца-доза-

тора до отметки 75% объема и использовать не до 0%, а до 25% объема. Эти приемы в сочетании с качественным клеем и отрегулированной установкой С8М60 дают стабильную дозу клея. Чтобы исключить стартовый эффект, рекомендуется на каждую плату нанести до 10 технологических точек на свободное место печатной платы (обычно по периметру, ближе к оператору).

Минимальное время контакта дозатора с платой должно быть 20 мс, иначе возможна нестабильность дозы. Давление воздуха должно быть около 1,25 бар (1,1—1,5). Температура клея в рабочем объеме (дозаторе) около 35 °С (имеется возможность установки и плавной регулировки, поддерживается автоматически). Необходимо периодически прочищать дозаторы, рабочий объем также необходимо ежедневно промывать бутилацетатом или ацетоном. Спиртом промывать нельзя, так как от него клей полимеризуется.

Процесс нанесения клея и размещение компонентов на установке СБМ60

1. Подготовка установки:

• проверка на отсутствие посторонних предметов и повреждений установки;

• включение установки;

• установка технологической печатной платы и регулировка (узлов фиксации ПП, движения рабочих головок, дозы клея, в сравнении с эталоном);

• замена дозатора с клеем Негаеш PD 860002ЭР, если клея осталось менее 25%.

2. Подготовка питателей:

• установка ленты с поверхностно монтируемыми компонентами в питатели;

• расстановка по программе и закрепление питателей на столе установки, при этом переходы 1, 2 выполнять по мере расхода компонентов.

3. Нанесение клея и размещение компонентов:

• ввод программы в соответствии с децимальным номером ПП;

• извлечение печатной платы из тары, регулировка ширины конвейера в соответствии с шириной печатной платы;

• нанесение клея и размещение компонентов в автоматическом режиме;

• извлечение печатной платы с конвейера, контроль правильности нанесения клея и размещения компонентов;

• размещение платы в таре.

4. Окончание работы:

• отключение установки;

• промывка использованных дозаторов от клея.

Примечание: клей из использованных дозаторов дополнить до 75% по объему.

Полимеризация клея

Для полимеризации клея была приобретена печь СМ — V/ 24-Ш/К38-РС. Потребляемая мощность установки до 40 кВт, потребность в воздухе — 1 600 м3/ч. Напряжение питания 380 В, 50-60 Гц. Пиковая температура 220 °С, что позволяет использовать ее не только для по---------------------------------- 219

Компоненты и технологии, № 3'2005

лимеризации клея, но и для оплавления пасты при необходимости. Ширина обрабатываемых плат — 50-500 мм. Длина машины — 3835 мм, ширина — 930 мм, высота 1270 мм, с патрубком — 2020 мм, вес — 700 кг.

Отвердение клея должно проходить при температуре около 120 °С в течение 3 минут. Для отработки этого режима в печи разработана специальная методика, начиная с изготовления термопар и заканчивая распечаткой замеренных температур в трех точках под различными компонентами и в различных участках платы. Эти измерения повторяются каждый месяц для одной и той же платы и каждый раз для новой платы или новой установки, после замены ламп и т. д. Сам процесс подготовки измерений проводился при обработке различных режимов пайки и отвердения в течение всего периода освоения новых технологических процессов сборки. Особого внимания заслуживает прибор, фиксирующий термо-ЭДС термопар. Во-первых, он вслед за исследуемой платой загружается в печь, во-вторых, и это самое главное, он учитывает нагрев места контакта термопары с клеммами. Ориентировочные данные по параметрам печи для отвердения клея: скорость конвейера 0,65 м/мин, температуры излучающих ламп — 910, 735, 700, 710 °С, температура воздуха по зонам — 299, 200, 300, 300 °С. Для другой платы параметры несколько иные: 0,8 м/мин: 930, 830, 735, 935 °С. Эта плата направлялась для оплавления паяльной пасты, о чем говорит последнее значение температуры (более 900 °С вместо 700 °С).

Ориентировочные значения диаметра патрубков для отсоса воздуха: общий около 300 мм в диаметре, два основных по 150-170 мм в диаметре, дополнительный после печи около 150 мм.

Процесс сушки клея в печи СМ - V/ 24-1Р/К38-РС

1. Подготовка: установка температуры излучающих ламп и скорости перемещения конвейера в соответствии с децимальным номером ПП.

2. Сушка клея:

• установка печатной платы на транспортер;

• снятие печатной платы с транспортера и укладывание в тару.

Общее замечание для работы на установке С8М60 и печи: зона 10 мм по периметру печатной платы (на случай разработки ПП своими силами) должна быть свободна от компонентов для возможности транспортировки, захвата и обеспечения относительной стабильности температуры нагрева в печи.

Пайка печатных плат

Пайка печатных плат со смешанным монтажом осуществляется на линии вОЬТЕС МГОІ 6521. Параметры установки вОЬТЕС МГОІ 6521: скорость конвейера 0-3 м/мин, ширина монтируемых печатных плат 50-400 мм, длина 150-500 мм, максимальная толщина платы — 3 мм. Высота волны до 10 мм. Высота смонтированных компонентов до 100 мм. Напряжение питания 220/380 В, 50-60 Гц. Максимальная мощность — 32 кВт. Давле-

ние воздуха — 6 бар. Потребность в отсосе воздуха 2x1200 м3/час. Габариты машины: длина 2490 мм, ширина 1300 мм, высота 1600 мм. При планировке необходимо предусмотреть свободное пространство 1220 мм вокруг машины. Вес машины с припоем 1600 + 780 кг.

Патрубок вентиляции в зоне флюса имеет диаметр около 180 мм, в зоне волн около 200 мм. Вся установка, включая зону флюсования, ТЭНы предварительного нагрева, обе волны — под прозрачным секционным колпаком, что обеспечивает надежный отвод паров флюса и припоя. Имеется возможность сдвижки стекол для настройки установки. Защитное масло используется только в зоне двигателей. Тест-плата для отработки количества флюса — оксидированная алюминиевая пластина толщиной 1,5 мм с размерами 200x215 мм. При указанной скорости движения конвейера ширина волны флюса по окошечку приспособления должна быть около 4 см.

В качестве разбавителя флюса используется изопропанол. Исследована возможность разбавлять флюс и спиртом, при этом также должна быть обеспечена концентрация флюса около 10-15% и указанная выше толщина флюса на плате.

Возможности установки позволяют использовать ее практически от единичных экземпляров при наличии соответствующих программ.

Специальный датчик и система автоматики обеспечивают включение подачи флюса и припоя только в нужный момент — момент прохождения волны, что резко сокращает расход флюса, растворителя и припоя. Предварительный нагрев ТЭНами включается только при включенном конвейере.

Для загрузки-разгрузки припоя имеется специальный рычаг подъема конвейера и винтовая система передвижения ванны с припоем. Слив припоя выполняют в стальные формы 50х50х(1000-700) мм. Для снятия окислов предусмотрены специальные металлические карманы с фронта и тыла ванны. Потом они упаковываются в картонные коробки и также могут сдаваться в переработку.

Конструкция электронных блоков, включая используемую элементную базу, позволяет осуществлять пайку одновременно поверхностно монтируемых и обычных элементов. Во время пайки выводы традиционных элементов и корпуса поверхностно монтируемых компонентов флюсуются, подогреваются, а затем погружаются в расплавленный припой.

Возможен другой порядок монтажа компонентов, при котором на плату вначале устанавливаются традиционные выводные элементы, в том числе автоматами. Однако это может создать некоторые трудности при полимеризации клея, так как не все выводные элементы выдерживают температуру 120 °С в течение 3 минут. Приходится доустанавли-вать эти элементы вручную.

Толщина флюса на плате должна быть около 0,5 мкм после трехминутной выдержки на воздухе (после прохождения узла флюсования и ТЭНов). Имеется методика с расчетными формулами и таблицами. По ней троекратно самостоятельно подбирали режимы:

скорость вращения барабана, подачи воздуха, скорость движения конвейера, Температура припоя в волне должна быть около 250 “С, Время пайки (нахождения любой точки платы в волне) 0,5±0,2 с в первой волне, 2,5±0,2 с во второй волне, Для пайки печатных узлов нами использован флюс фирмы Flux 641 плотности 0,812-0,816 г/смЗ, не требующий отмывки и не вызывающий коррозии в эксплуатации, С учетом его хорошей активности и малой коррозионной способности наиболее близкий аналог — флюс ФКТ, не требующий удаления в производстве гражданской продукции, Концентрация флюса регулируется автоматически, выставляется и контролируется вручную визуально по вмонтированному ареометру, Уровень припоя в ванне автоматически поддерживается на заданном уровне, Барабан подачи флюса надо ежедневно промывать (имеется специальная емкость с тыльной стороны установки), ТЭНы включаются только те, что необходимы для данной ширины платы, Давление воздуха для флюса должно быть 2,5 атм (есть автономный узел),

Скорость движения конвейера должна быть около 1,5±0,1 м/мин и не ниже 0,6 м/мин, Для установки уровня волн припоя может быть использовано приспособление со стеклами, расположенными на разных высотах, Кроме этого, может быть использовано приспособление для измерения времени контакта точек платы с первой и второй волнами припоя, что зависит от скорости движения конвейера и ширины волн, В первую очередь необходимо выставить скорость движения транспортера по времени пайки, а потом добиваться оптимального количества флюса, При первоначальной загрузке припоя надо быть особо осторожным, так как есть опасность сжечь ТЭНы, Датчик температуры фиксирует температуру еще не расплавившегося припоя, тогда как ТЭНы плохо передают тепло «рыхлому» (не расплавившемуся) припою и могут перегреться,

Процесс пайки печатных плат двойной волной припоя на линии SOLTEC MIDI 6521

1, Подготовка:

• включение вентиляции, проверка наличия тяги;

• проверка на отсутствие повреждений и посторонних предметов;

• включение установки, разогрева припоя, блока управления;

• установка температуры припоя 250 “С;

• регулировка ширины транспортера под ширину печатной платы;

• загрузка припоя ПОС6З в ванну линии до восстановления его оптимального уровня после разогрева припоя;

• чистка поверхности припоя от окислов, в том числе с первого сопла, скребком из нержавеющей стали или фарфоровой ложкой;

• регулировка глубины погружения технологической печатной платы в первую и вторую волну без перекосов и захлестывания припоем;

• регулировка времени пайки с помощью технологической ПП в 1-й и 2-й волне: 0,З-0,7 с и 2,З-2,7 с соответственно;

Компоненты и технологии, № 3'2005

• доведение плотности флюса Flux 641 до значения 0,812-0,816 г/см3 добавлением изопропанола или этилового спирта;

• регулировка дозы наносимого на печатную плату флюса толщиной 4,5-5,5 мкм. Используется тестовая пластина из оксидированного алюминия 215x200x1,5 мм, весы с погрешностью измерений 0,01 и пределами измерений не менее 0-200 г.

Примечание: перечисленные операции выполняются в начале смены и после перерыва.

2. Пайка:

• установка печатной платы на конвейер;

• проверка на отсутствие перекосов и надежное крепление печатной платы в захватах транспортера;

• выполнение пайки;

• извлечение печатной платы с транспортера и проверка качества пайки;

• укладывание печатной платы в тару.

3. Окончание работы:

• отключение установки;

• очистка припоя от окислов скребком из нержавеющей стали или фарфоровой ложкой;

• очистка узлов установки от загрязнений;

• промывка барабана флюсователя изопропанолом, спиртом или спирто-бензиновой смесью.

Последующие операции смешанного монтажа содержат стандартные переходы и поэтому в статье не описаны.