3.4. Сборка модулей на печатных платах

Установка ЭРЭ и ИМС на платы является первым этапом монтажа, и дефекты данной операции неблагоприятно отразятся на качестве монтажных соединений. В зависимости от технической реализации различают ручную и механизированную сборку плат, причем в качестве критерия выбора оборудования принимают вариант исполнения выводов (штыревые, планарные). Оптимальное выполнение операции установки ЭРЭ на платы требует согласования допусков на выводы и на диаметры отверстий, выбора наиболее приемлемого метода фиксации компонента, определения оптимального варианта расположения ЭРЭ и ИМС на плате.

При автоматизированной сборке однослойных и многослойных плат должны выполняться следующие технические требования:

^{•использование минимального числа типоразмеров ЭРЭ и ИМС;}

^{•размещение корпусных ИМС на ПП рядами или в шахматном порядке с шагом} установки 2,5 мм; корпуса с планарными выводами допускается размещать с шагом 1,25 мм, зазоры между корпусами ИМС должны быть не менее 1,5 мм;

^{•установка ИМС со штыревыми выводами только с одной стороны ПП, а ИМС с} планарными — с двух сторон.

Положение компонентов, полученное при сборке, не должно изменяться до момента контактирования, т. е. формирования монтажного соединения. Поэтому компоненты должны быть зафиксированы на плате. Фиксация должна: быть легкой в исполнении, не допускать применения дополнительных элементов, выдерживать собственную массу элементов, осуществляться при обратном ходе рабочего инструмента. Существуют различные варианты фиксации выводов элементов в отверстиях плат (рис. 3.11): загибка (а), расплющивание (б), деформация (в), под действием упругих сил (г) или трения (д).

Рис. 3.11. Фиксация выводов компонентов в отверстиях плат

Загибка создает большую опасность замыканий с близлежащими проводниками, чем расплющивание. Пружинные выводы ИМС не требуют загибки, так как фиксация происходит за счет трения о внутренние стенки отверстий. Для фиксации ИМС с планарными выводами применяют их предварительное приклеивание к плате.

Установка ЭРЭ и ИМС на платы проводится вручную или с помощью полуавтоматов и автоматов. Для повышения производительности ручной сборки применяют держатели плат, печатание с обратной стороны платы способом шелкографии позиционного обозначения ЭРЭ.

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:

• Конвейерное позиционирование ("поточно-последовательное"). Плата движется по конвейеру вдоль нескольких модулей позиционирования. Каждый модуль осуществляет размещение одного типа корпусов (рис. 3.12).

Рис. 3.12. Конвейерное позиционирование

• 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. 3.13).

Рис. 3.13. Последовательное единичное либо групповое позиционирование

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. 3.14).

Рис 3.14. Последовательно-параллельное позиционирование

Массовое или поточно-параллельное позиционирование. Многозахватные головки за один прием устанавливают на плату большой набор компонентов. За одну операцию ими заселяется часть или вся плата (рис. 3.15).

Рис 3.15. Массовое или поточно-параллельное позиционирование

Метод массового размещения более всего применим к очень высоким объемам выпускаемой продукции с низкой степенью смешанности компонентов для различных типов монтажа. Автоматы-укладчики, использующие метод последовательного группового размещения, могут обеспечить высокий уровень гибкости производства, но с более низкой скоростью позиционирования. Они применяются в случае низкого или среднего объема производства изделий с высокой степенью смешанности монтажа. Последовательно - параллельные автоматы наилучшим образом приспособлены для средних и высоких объемов работ при низкой степени смешанности монтажа. В некоторых автоматах предусмотрена возможность смены монтажных головок и захватов. Это увеличивает гибкость производственных линий, хотя и снижает производительность.

Системы подачи компонентов. При разработке автоматов-укладчиков используют принцип произвольного доступа, заключающийся в том, что компонент выбирается из питателя непосредственно перед позиционированием. Существует несколько способов подачи компонента в монтажную головку:

• Компонент переносится из питателя на место установки с помощью поворотной башенной головки.

• Монтажная головка сама захватывает компонент непосредственно из питателя и размещает его на плате.

• Питатели устанавливаются на каретку, управляемую ЭВМ, которая в нужный момент подает на сборку требуемый компонент.

От метода подачи компонентов зависит конструкция питающих механизмов. Применение поворотных башенных головок и подвижных кареток ограничено конструкцией и типоразмерами корпусов, поставляемых на лентах - носителях. Питатели этого типа позволяют производить высокоскоростную сборку. Автоматы с такими системами питания, как ленты-носители компонентов, магазины-шины и ячеистые магазины, производят захват каждого компонента отдельно и имеют низкую производительность, но они обладают большой гибкостью применительно к разным типам конструкций компонентов.

Производительность автоматов-укладчиков компонентов может составлять от 500 до более чем 100000 компонентов в час. Автоматы сильно отличаются друг от друга по своей гибкости, методам позиционирования, уровню конструктивной сложности, и подразделяются на четыре группы:

• Автоматы с производительностью менее 4000 компонентов в час. Предназначены для выпуска небольших партий изделий в научно-исследовательских лабораториях или опытных партий на этапе освоения техники поверхностного монтажа. Их конструкция разрабатывается с учетом удобства работы в период обучения специалистов. Сюда также входят высокопрецизионные автоматы для позиционирования PLCC.

• Автоматы со средней производительностью 4000-6000 компонентов в час. Большая часть этих машин обладает способностью к гибкой перенастройке.

• Высокопроизводительные автоматы: 9000-20000 компонентов в час. Предназначены для позиционирования чип-компонентов в прямоугольном корпусе или в корпусе типа MELF, а также компонентов в корпусе типа SO.

• Автоматы для массового производства: более 100000 компонентов в час. Они могут устанавливать только простые чип-компоненты.

Производительность и уровень гибкости автомата - укладчика обусловливают потенциальные возможности его применения. Гибкость укладчика определяется количеством типоразмеров корпусов компонентов и конструкций питателей, с которыми он в состоянии работать. Малопроизводительные укладчики, обладающие высокой гибкостью, могут работать со всеми форматами упаковки поставляемых компонентов (лента-носитель, магазин-шина, ячеистый магазин). Гибкость оборудования связана со следующими факторами:

• Ограниченным количеством входов загружаемых компонентов различных типоразмеров, обычно менее 60 (увеличение числа типоразмеров корпусов компонентов, с которыми может работать технологическая линия, требует совместного использования нескольких сборочных модулей).

• Высокоточным позиционированием с использованием системы технического зрения, рекомендуемой для установки компонентов с малым шагом выводов (менее 0,635мм).

Перспективной концепцией для монтажных автоматов является концепция, где каждая единица оборудования решает как можно более широкий круг задач, а применение отдельного станка для каждой отдельной задачи будет неэкономичным.