сборки и монтажа микросборок.

Технология поверхностного монтажа (ТПМ) – способ, при котором выводы микросхем и других компонентов монтируются в сквозные металлизированные отверстия печатных плат (ПП). ТПМ объединила в себе преимущества, как технологии монтажа в отверстия гибридных схем (ГС), а точнее перенесла конструктивно-технологические принципы монтажа ГС на технику изготовления узлов на ПП, используя большой размер стеклополимерных и других ПП, корпусированные и предварительно аттестованные компоненты, двусторонний монтаж и присоединение к контактным площадкам (КП) на поверхности платы.

Компоненты поверхностного монтажа.

Компонентами ПМ являются миниатюрные радиоэлементы и микросхемы, конструктивно выполненные в безвыводном исполнении, либо имеющие короткие выводы и упакованные в носители, позволяющие использовать их в высокопроизводительном оборудовании. Компоненты присоединяются к КП на поверхности ПП и могут быть разделены на 3 большие группы: пассивные, активные, нестандартные.Типы компонентов представлены на рисунке 1.

Рисунок 3. Компоненты поверхностного монтажа.

 

Классификация способов нагрева

Монтажная (электромонтажная) пайка представляет собой процесс механического и электрического соединения металлических деталей с нагревом ниже температуры их расплавления путем смачивания и заполнения зазора между ними расплавленным припоем и сцепления за счет отверждения паяного шва.

Технологические процессы образования межсоединений так или иначе стимулируются нагревом (примерно выше 100 °С). Они протекают при плавлении или диффузии в твердой фазе и могут сопровождаться химическими реакциями. Монтажные соединения образуются в процессах пайки и сварки.

По способу воздействия на объект производства технологические процессы образования монтажных соединений разделяют на изотропные и локальные.

Изотропные – процессы с температурным воздействием на все изделие или поверхность. Локальные – процессы с избирательным воздействием на ограниченной площади (в «точке»).

К изотропным относят процессы, выполняемые в однородной среде, например, в печах с заданной газовой средой, в ваннах для пайки.

К локальным — точечную сварку и пайку, лазерную обработку. В процессе пайки развиваются реакции на границах жидкого, а потом и затвердевшего, припоя и поверхностей спаиваемых деталей. Течение твердофазных реакций определяется двумя механизмами: диффузией и процессами на границе фаз: жидкой (расплавленный припой) и твердой (соединяемые детали).

Процессы на границе раздела

Развитие процессов на границе раздела: припой – спаиваемые поверхности – проходит несколько стадий: адсорбция – адгезия – смачивание – физическое растворение или поверхностные химические реакции – сцепление.

Смачивание соединяемых поверхностей жидким припоем или расплавом при микросварке проявляется как растекание капель жидкости на твердом теле или как оттекание, когда слой жидкости собирается в капли. В результате смачивания создаются условия для развития вторичных процессов физического растворения и поверхностных химических реакций, при протекании которых происходит взаимодействие, ведущее к образованию переходной зоны на границе раздела фаз.

При физическом растворении взаимодействуют вещества одинаковой природы, смешение происходит только за счет кинетической энергии атомов, ионов, молекул, не претерпевающих изменений.

Поверхностные химические реакции возможны в том случае, когда химическая природа соприкасающихся фаз различна. Поверхностные химические соединения, образуемые в результате этих реакций, не представляют отдельной самостоятельной фазы. Продукты поверхностных реакций можно рассматривать как химические соединения переменного состава. Вступившие в поверхностную реакцию атомы и ионы твердого тела не порывают связей с атомами и ионами собственной кристаллической решетки.

Процессы нагрева при пайке.

Различают селективный нагрев монтажных точек и групповой.

При селективной пайке нагрев ведется от точки к точке, так что все монтажное изделие и монтируемые элементы при этом остаются холодными.

К селективной пайке относятся пайки нагретым инструментом: паяльником, нагретым электродом, ИК-, световым или лазерным лучами.

Процесс пайки состоит из флюсования места пайки, нагрева до расплавления и смачивания его припоем, фиксации вывода элемента относительно контактной площадки и остывании в фиксированном состоянии. Только ручной паяльник совмещает в себе одном эти функции. Но паяльник – ручной инструмент, управляемый человеком, поэтому процесс пайки паяльником с трудом поддается управлению. В связи с этим O-характеристика паек, выполненных вручную, по всем стандартам оценивается на два-три порядка хуже максимально достижимой. Остальные виды селективной пайки поддаются разделению операций: нанесение флюса, припоя, придавливание для соприкосновения соединяемых поверхностей, нагрев соединяемых элементов до полного смачивания, остывание. Флюсование, как правило, ведут любым групповым или селективным (с помощью дозатора) способом.

Использование групповых методов пайки сопровождается интенсивным нагревом монтажной подложки. В качестве материалов подложек в подавляющем большинстве случаев используют композиционные материалы: стеклоэпоксидные композиты, гетинаксы, полиэфирные композиты.

Все они имеют макрокапиллярность и уже только за счет этого гигроскопичны. Гетинаксы, например, поглощают до равновесного состояния 3% влаги. При быстром нагреве до температур паек влага интенсивно (за несколько секунд) испаряется, пары за короткое время пайки не успевают выйти из объема нагрева и создают внутреннее давление, способное разорвать или расслоить изделие. Для предотвращения «термического взрыва» перед групповой пайкой необходимо предусматривать глубокую сушку плат и последующее хранение высушенного задела в сухом боксе или вакуумной упаковке.

Этапы сборочного процесса

Как и для прочих SMT-компонентов, монтаж BGA предусматривает выполнение типовых этапов сборочного процесса: нанесения паяльной пасты (либо флюсование контактных площадок ПП), установки компонентов, оплавления в печи, отмывки (в зависимости от типа применяемого флюса).

Типовой процесс установки и пайки BGA компонента на такой системе выглядит следующим образом:

1. Выбирается требуемый температурный профиль оплавления из библиотеки системы, либо производится ручная настройка/коррекция параметров. Плата устанавливается в специальный держатель и фиксируется в нем. В случае отработки или необходимости мониторинга термопрофиля производится установка одной или нескольких термопар.

Рисунок 4. Типичный профиль оплавления и его деление на этапы.

2. Перед установкой компонента осуществляется нижний подогрев платы с помощью, как правило, ИК-нагревателя. Существуют системы с двухзонным нагревом: меньшая мощность для небольшой по площади зоны нагрева и большая – для более крупной. В ряде систем применяется конвективный предварительный нагрев.

В адаптер головки устанавливается требуемое сопло, и производится захват BGA компонента из технологической упаковки. В комплект поставки установок монтажа и пайки BGA входят сопла под различные типоразмеры компонентов. Существуют системы, где захват компонента происходит из специального регулируемого гнезда, куда компонент помещается перед захватом.

Далее компонент, если это необходимо, перемещается в позицию нанесения клейкого флюса или пасты методом погружения в поддон с ~300 мкм слоем наносимого материала.

Рисунок 5. Классификация основных типов BGA- компонентов.

Затем производится точное совмещение шариковых выводов BGA компонента и контактных площадок платы. Для этого между захваченным компонентом и посадочным местом на плате размещается блок оптики с разделением изображения и дихроической призмой. В результате на экране монитора оператору показываются два увеличенных изображения в различных цветах: контактные площадки платы и выводы BGA компонента. Применяется бестеневая подсветка с помощью галогенных ламп или светодиодов. Оператору, пользуясь микрометрическими винтами точного перемещения платы по осям X и Y, необходимо добиться визуального наложения двух изображений до их полного совмещения. После завершения процесса совмещения блок оптики отводится в сторону.

Отмывка.

Отмывка – крайне важный процесс в технологии производства электроники, применявшийся в течение многих лет для удаления потенциально опасных загрязнений при производстве устройств на печатных платах. К таким загрязнениям относятся остатки флюсов, припоя и клеев, а также другие загрязнения более общего характера: пыль и другие частицы, появляющиеся в результате других производственных процессов. Цель отмывки, в особенности в условиях быстрого роста электронной промышленности, заключается в существенном увеличении срока эксплуатации изделий за счет обеспечения высокого поверхностного сопротивления и предотвращения токов утечки, приводящих к выходу плат из строя

В настоящее время существует две разновидности моющих средств: на основе растворителя и на водной основе. Средства на основе растворителей такие, как 1,1,1-трихлорэтан (метилхлороформ) и 1,1,3-трихлортрифторэтан, традиционно преобладали на рынке, однако из-за их потенциальной способности вызывать истощение озонового слоя, сейчас их заменил более разнообразный ассортимент моющих средств этой разновидности. Однако при работе с ними требуется специальное оборудование и вытяжка для защиты от токсичности и других опасных факторов.

Моющие средства на водной основе также разработаны для того, чтобы заменить вещества, разрушающие озоновый слой, а также для применения растворов, позволяющих снизить количество отходов с содержанием растворителя. Отмывка с помощью средств на водной основе имеет ряд преимуществ перед средствами на основе растворителей, среди которых параметры горючести, низкий уровень запаха, низкое содержание или отсутствие летучих органических веществ и очень низкая токсичность. Существует много способов отмывки, и все они зависят от типа имеющегося оборудования. Будь то ультразвуковой способ, струйный с погружением (рисунок 2) или по типу посудомоечной машины, крайне важным вопросом является подбор правильного моющего средства на водной основе для конкретной задачи. Средства на водной основе обычно бывают значительно более сложными, чем их аналоги на основе растворителей. В них применяется механизм поверхностно-активных веществ (ПАВ), помогающий удалить загрязнения с платы путем снижения поверхностного натяжения и взвешивания или эмульгирования их в растворе. При другом варианте вещества для удаления флюсов работают за счет омыления, нейтрализуя входящие в состав флюса кислоты. Единственный большой недостаток моющих средств на водной основе заключается в том, что они требуют несколько стадий при выполнении операции отмывки, включая двухстадийное полоскание и стадию сушки в конце операции. Наконец, существует также новый тип средств на водной основе, не содержащих ПАВ. Эти вещества основаны на гликоли и объединяют в себе достоинства средств на водной основе и на основе растворителей, требуя при этом минимального полоскания.

 

Рисунок 6. Этапы отмывки моющими средствами на водной основе: 1.Отмывка моющими средствами на водной основе. Ультразвуковая и/или струйная с погружением. 2. Ополаскивание водой. Струйное или ультразвуковое ополаскивание. Вода сбрасывается либо направляется в систему рециркуляции. 3. Тонкая очистка. Применяется деионизированнаявода.4. Сушка горячим воздухом.

Эффективная отмывка плат и компонентов, входящих в состав электронных узлов, очень важный элемент производства электроники. Она повышает надежность изделий и позволяет уверенно выполнять операции нанесения покрытий и герметизации

Моющие средства используются для уменьшения поверхностного натяжения воды, за счет чего повышается эффективность кавитации. Плюс к этому они растворяют и связывают грязь, которую удаляет ультразвук.

 

Список используемой литературы:

1. Белов П.А. Физические основы электроники: лабораторный практикум.Учебное пособие. – Курск: КГУ, 2012. – 160 c.

2. И. Федоров. Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры. МГТУ им. Баумана, М – 2002. – 370с.

3. А.А.Раздорожный. Охрана труда и производственная безопасность. «Экзамен». Москва, 2005

4. А. Медведев. ПП – конструкции и материалы. Техносфера, М – 2007. -300с.;

5. Климачев И.И., Иовдальский В.А.. СВЧ ГИС. Основы технологии и конструирования. М.: Техносфера. 2006 г.