Обычно корпус LCCC представляет собой конструкцию, состоящую из трех основных элементов: металлизированного керамического основания, металлической крышки и герметизированного материала, чаще всего специального припоя. Корпус имеет два ориентирующих ключа: один из них для оптического считывания, второй – в виде угловой фаски. Эти корпуса выбираются для ответственных применений, например, в военной техники, аппаратуре связи и аэрокосмической технике, поскольку они могут быть высокогерметичны.
Недостатки LCCC, в основном, связаны с рассогласованием температурных коэффициентов расширения корпуса и стандартной стеклоэпоксиадной платы, которое способствует образованию и развитию дефектов в местах пайки при жестком термоциклировании или высоком уровне рассеиваемой мощности. Лучше, чем эпоксидными, но все же далеко не идеально, LCCC согласуется по ТКР со всеми керамическими платами, которые находят ограниченное применение в технике поверхностного монтажа. Кроме того, эти корпуса относительно дороги в производстве.
Кристаллоносители с выводами (LDCC/CCC) позволяют решить проблему рассогласования ТКР, хотя они дороже, конструктивно более сложны и пригодны лишь для военной и других ответственных применений, где стоимость не является основным критерием выбора компонента.
4.4.3. Способы упаковки компонентов
Компоненты должны поставляться в такой форме упаковки, которая обеспечивает эффективную и дешевую сборку. Форма упаковки должна быть совместима с имеющимся сборочно-монтажным оборудованием. Изготовители автоматов-укладчиков компонентов в настоящее время внедряют стандарт на форму упаковки в виде гибкой ленты, рассчитанной на все типы корпусов, за исключением PLCC с выводами в форме крыла чайки, которые поставляются в магазинах типа ИС-шина. Применение ячеистых магазинов ограничено небольшими объемами монтажа данного компонента, а также теми случаями, когда потребитель не желает омертвлять капитал, т.е. не создает большого запаса компонентов.
Поставка россыпью не отвечает требованиям автоматического монтажа, за исключением чипов, не требующих контроля полярности. Поставка безвыводных корпусов россыпью, а корпусов с выводами, упакованных в ячеистые магазины, характерна для ремонтных станций.
Обычно применяются два типа ленты: бумажная и пластмассовая. В бумажной ленте вырубаются отверстия, в которых фиксируются компоненты; с обеих сторон бумажной ленты на компоненты накладывается прозрачная гибкая майларовая лента. Лента снабжена перфорированными отверстиями для подачи компонента в автомат. Относительно недорогие бумажные ленты имеют ряд недостатков: в результате истирания при размотке отделяются бумажные волокна, которые могут нарушить сборочно-монтажные операции. В отличие от бумажной пластмассовая лента имеет выпрессованные подушкообразные полости, в которых фиксируются компоненты. Дополнительную фиксацию осуществляют покровная лента из майлара.
Размеры катушек для лент установлены международным стандартом: их диаметр колеблется от 180 до 325 мм в зависимости от ширины ленты, которая в свою очередь меняется от 8 до 57 мм.
Техника ПМ революционизирует методы конструирования и изготовления коммутационных плат. Попытки обеспечить интенсивный теплоотвод объясняют появление большого количества новых пластмасс, керамических и композиционных материалов для плат. Становятся обычными коммутационными дорожками, имеющими ширину и шаг, равные 0,2 мм, а то и 0,127 мм. Большинство печатных плат, предназначенных для монтажа в отверстия, изготавливается по традиционной технологии и с шириной и шагом коммутационных дорожек 0,381–0,254 мм. Вместе с тем техника поверхностного монтажа предъявляет повышенные требования к электрофизическим характеристикам коммутационных плат; так, для традиционной платы допуск на полное сопротивление (электрический импеданс), равный ±25%, становится неприемлемым для плат ПМ, поскольку в последнем случае нужно стремиться получить величину допуска не более ±5 %. Это требует включения резистивных нагрузок в конструкцию самой платы.
Самым сложным является то, что на всех этапах технологического цикла допуски для плат должны составлять 0,0254–0,0508 мм.
Постоянно имеется компромисс между плотностью монтажа и эффективностью использования коммутационной платы, а именно: более высокая степень использования плат может служить как целям уменьшения размеров платы с тем же самым количеством коммутационных слов, так и целям повышения функциональной сложности изделий при сохранении размеров плат с одновременным увеличением числа слов. В обоих случаях в технологию изготовления плат должны вноситься изменения: миниатюризация отверстий и коммутационных дорожек, а также увеличение количества слов коммутации требуют повышения точности технологических процессов.
Размеры плат существенно ограничиваются характеристиками материалов, из которых они изготавливаются (платы больших размеров подвержены короблению в результате термообработок и для избежания этого их толщина должна быть соответственно увеличена). Кроме того, существуют ограничения размеров плат, связанных с технологической оснасткой и оборудованием, например, конструкция большинства монтажных и испытательных устройств разработана с учетом каких-то предельных размеров платы. И наконец, платы больших размеров затрудняют операции совмещения, сверления, электрического покрытия и пайки. Транспортная система также должна быть рассчитана на такие размеры, поэтому целесообразно по крайней мере выдерживать ширину плат.
Современный размер плат, используемых для ПМ, составляет
91,44×121,92 мм.
Техника поверхностного монтажа требует знаний физикохимических основ технологии, в частности, процессов установки компонентов и пайки. Исторически сложилось так, что механизм пайки волной припоя остается недостаточно хорошо изученным при реализации монтажа в отверстия, но это не оказало существенного влияния на другие этапы изготовления. В производстве микросборок методами ПМ на различных технологических этапах химические, термохимические и металлургические процессы тесно взаимосвязаны. Большинство инженеров-технологов недостаточно компетентны в этих областях знаний. Кроме того, приложение тео-
ретических основ технологии к процессам производства часто не в полной мере отражается в технологической документации.
Рассмотрим варианты реализации чисто поверхностного монтажа и монтажа смешанного. Выбор варианта во многом зависит как от особенностей конструкции технологической (сборочномонтажной) линии, так и от других факторов, обычно учитываемых на стадии производства изделий.
Микросборки в ПМ отличаются от традиционных в нескольких отношениях:
1)корпуса компонентов для ПМ не закрепляются на поверхности платы с помощью выводов и поэтому нуждаются в механическом креплении на плате с помощью эпоксидных клеев или припойной пасты. После размещения компонентов на плате осуществляется отвержение эпоксидной смолы непосредственно перед пайкой;
2)пайка волной припоя применена только к простым корпусам компонентов для ПМ, устанавливаемых на обратной стороне платы, и к теплостойким компонентам. Компоненты на лицевой стороне платы должны припаиваться с применением одного из методов оплавления дозированного припоя: в паровой среде, с помощью ИК или лазерного нагрева;
3)при смешанных методах монтажа производственная линия должна включать манипуляторы для перевертывания плат и, как минимум, две установки пайки;
4)до проведения пайки изделия с компонентами должны перемещаться от операции к операции с использованием прецизионных автоматизированных транспортных средств со специальным накопителем, обеспечивающих целостность компонентов и сохранение их позиции на плате с высокой точностью.
Существует три основных варианта реализации ПМ:
∙чисто поверхностный монтаж на плате (односторонней или двусторонней);
∙смешанно-разнесенный вариант, когда традиционные компоненты размещают на лицевой стороне платы, а простые компоненты для ПМ – на обратной стороне;
∙ смешанный монтаж, например, на лицевой стороне платы, и поверхностный на обратной (когда традиционные компоненты и сложные компоненты для поверхностного монтажа размещают на лицевой стороне платы, а простые поверхностно монтируемые компоненты – на обратной стороне платы).
Чисто поверхностный монтаж имеет минимальное число технологических операций. На диэлектрическое основание платы наносят припойную пасту методами трафаретной печати. Количество припоя, наносимое на плату, должно обеспечивать требуемые электрофизические характеристики коммутирующих элементов (для чего необходим соответствующий контроль). После осуществления позиционирования и фиксации компонентов следует операция пайки оплавлением дозированного припоя с применением одного из методов, рассмотренных выше. В случае двустороннего ПМ на обратной стороне платы фиксируются простые компоненты с помощью адгезива. После отверждения адгезива компоненты подвергаются пайке двойной волной припоя, затем осуществляются очистка, контроль и испытание смонтированных плат (при необходимости платы переворачиваются).
Смешанно-разнесенный монтаж имеет две разновидности. Чаще всего сборку начинают с установки традиционных компонентов в отверстия платы, после чего размещают компоненты на поверхности платы (рис. 82). В альтернативном случае (рис. 83) сначала устанавливают компоненты на поверхность платы. Первый вариант применяют тогда, когда формовка и вырубка выводов обычных компонентов осуществляются с помощью специальных приспособлений заранее, иначе компоненты, смонтированные на поверхность платы, будут затруднять обрезку выводов, проходящих через отверстия плат. Компоненты для поверхностного монтажа целесообразно монтировать первыми при повышенной плотности их размещения, что требует минимального количества переворотов платы в процессе изготовления изделия. Установка традиционных компонентов и сложных компонентов для ПМ на лицевой стороне платы, а также простых компонентов на поверхность обратной стороны − наиболее сложная разновидность монтажа (рис. 84).
Первым этапом является нанесение припойной пасты через трафарет, установка на лицевой стороне платы сложных компонентов для поверхностного монтажа (SOIC, PLCC) и пайка расплавлением дозированного припоя; затем − установки традиционных компонентов (с соответствующей обрезкой и фиксацией выводов), плата переворачивается, на нее наносится адгезив, и устанавливаются компоненты простых форм для поверхностного монтажа (чипкомпоненты и компоненты в корпусе SOT). Эти простые компоненты и выводы компонентов, установленных в отверстия, одновременно пропаиваются двойной волной припоя. Возможно также использование в составе одной линии оборудования, обеспечивающего эффективную пайку компонентов (с лицевой стороны платы) расплавлением дозированного припоя и пайки (с обратной стороны платы) волной припоя.
Следует отметить, что в таком ТП возрастает количество контрольных операций из-за сложности сборки при наличии компонентов на обеих сторонах платы. Неизбежно возрастают также количество паяных соединений и трудности обеспечения их качества. Это усложняет работу автоматического оборудования для контроля соединений, поскольку для этого требуется дополнительный переворот платы.
4.4.4. Выбор адгезивов
Выбор адгезива в ПМ на практике более труден, чем кажется на первый взгляд. Нередко бывает, что на первых порах освоения ПМ изготовленные адгезивы удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям, например, имеют достаточно высокую адгезионную способность и нужные диэлектрические свойства. Однако для серийного выпуска изделий эти адгезивы оказываются непригодными и требуется разработка новых, более совершенных клеевых композиций с минимальным выделением летучих веществ, хорошо совместимых с конструкционными и технологическими материалами изделий (например, с материалами корпуса компонента, с флюсом, припоем и др.) и имеющих режимы отверждения, приемлемые в технологии поверхностного монтажа. Немаловажно также обеспечить при этом устойчивость адгезивов к деградации в условиях термоциклических воздействий процесса пайки.
Выбор адгезива практически зависит от конкретного его применения в изделии с поверхностным монтажом. Вместе с тем надо учитывать специфические свойства адгезивов при обращении с ними. Так, например, адгезивы, представляющие собой однокомпонентные системы, обычно содержат растворитель, просты в использовании, не требуют смешивания ингредиентов, однако часто оказываются источниками летучих веществ, и это следует учитывать. Двухкомпонентные системы имеют длительный срок хранения, но их ингредиенты должны точно дозироваться.
Требования для выбора подходящего адгезива следующие:
∙технологичность адгезивов при нанесении. Это в первую очередь определяется методом нанесения (трафаретная печать, перенос капли, дозировка шприцом). Принципиальным моментом является способность формирования в виде капли, заполняющей самый большой встречающийся в микросборке промежуток между компонентами и платой и в то же время не растекающейся из-под самих малогабаритных компонентов после нанесения;
∙вязкость адгезивов. Должен быть относительно жидким для удобства нанесения из шприца при минимальном давлении и в то же время быть достаточно вязким, чтобы не вытекать самопроизвольно и не оставлять следы. Капля адгезива должна сохранять заданную высоту без растекания или миграции для надежного удерживания компонента до отверждения клеевого соединения, по меньшей мере, хотя бы на период транспортировки платы в установку отверждения адгезива;
∙время отверждения адгезива. Однокомпонентные адгезивы отверждаются при температуре более 125 °С. Двухкомпонентные
системы обычно отверждаются при более низких температурах, что менее опасно для монтируемого изделия с точки зрения повреждений материалов платы и компонентов. Процесс отверждения может иметь длительность до 10 мин (обычно 3–5 мин) при температуре
80–150 °С. Достаточно малое время термообработки изделия позволяет организовать поточный процесс производства. Хотя температура при пайке намного выше, чем при отверждении клеев, воздействие ее на изделие кратковременно (секунды) и не приводит к серьезным последствиям.
