Сборка печатных плат по методу «корпус-на-корпусе»

При поверхностном монтаже (SMT) все компоненты устанавливаются на одну горизонтальную плоскость с разными координатами — X и Y. В сборке методом «корпус-на-корпусе» (КнК) компоненты устанавливаются друг на друга. При монтаже верхних уровней традиционная печать с использованием паяльной пасты, как правило, не применяется в силу сложности ее нанесения. Компоненты верхних слоев монтируются с помощью флюса или пасты, которые наносятся на этапе сборки. В статье рассматриваются особенности реализации метода КнК с помощью сборочно-монтажной SMT-системы.

Вы можете скачать эту статью в формате pdf здесь.

Введение

Рост функциональных возможностей потребительских электронных устройств и уменьшение их размеров побуждают к разработке технологии «корпус-на-корпусе». Данный метод обеспечивает большую гибкость, позволяет сократить время проектирования и его стоимость. При этом технология КнК требует освоения новых методов сборки.
Во-первых, необходимо решить, как обеспечить пайку расплавлением установленных друг на друга компонентов. Флюс или специальная паяльная паста наносятся на них перед монтажом. Это невозможно сделать с помощью внешнего автомата, т.к. до поступления компонентов в сборочно-монтажную систему они упакованы. Таким образом, для стандартной SMT-системы требуется дополнительное программно-аппаратное обеспечение.
Во-вторых, компоненты необходимо установить в несколько слоев числом до пяти и более. Такой способ монтажа не всегда является стандартным для сборочных систем, хотя, разумеется, они обеспечивают возможность перемещения автомата на некоторое расстояние вдоль оси Z. Как бы то ни было, для полноценной возможности монтажа по высоте также требуется программно-аппаратное обеспечение.
Некоторые устройства, монтируемые по методу «корпус-на-корпусе», представляют собой стопку идентичных компонентов, тогда как в других устройствах последовательность размещения компонентов более специ­фична. Для сборки требуется программное обеспечение, которое определяет слой для каждого компонента и предотвращает возможность их установки не в заданной последовательности.

Методы сборки

К двум основным методам сборки КнК относятся метод предварительной установки и сборка на ходу. Основное различие между ними заключается в способе монтажа, а не в конечном результате. Первый метод состоит из двух этапов. На первом этапе осуществляется сборка устройств, которые затем объединятся в стопку. Данный этап идентичен стандартной технологии поверхностного монтажа.
Компоненты устанавливаются на другие устройства в кристаллодержателе, в котором они подвергаются пайке оплавлением для формирования соединений. Затем предварительно установленные устройства перекомпоновываются для сортировки сборочно-монтажной системой. Эти устройства возвращаются в загрузочный автомат для монтажа стопкой или установки поверх другого устройства. В одних случаях стопка отправляется на пайку оплавлением после добавления каждого слоя. В других случаях несколько предварительно составленных деталей компонуется в стопку после предварительной установки устройств.
В настоящее время наиболее широкое распространение получила сборка «на ходу». Метод предварительной сборки упрощает работу сборочного автомата, т.к. во многом схож с традиционной технологией SMT-монтажа, однако он сопряжен с дополнительными операциями и другими возможными трудностями. Например, многократная пайка компонентов оплавлением может привести к возникновению нежелательного температурного напряжения. Многократное оплавление паяных соединений без флюса приводит к их окислению и кристаллизации.

 

Рис. 1. Предварительная сборка

Рис. 2. Сборка «на ходу»

 

Нанесение флюса

Вероятно, единственное самое существенное отличие метода КнК от технологии поверхностного монтажа состоит в необходимости нанесения флюса на компоненты. В стандартной SMT-сборке паяльная паста наносится на плату принтером трафаретной печати, после чего на плату устанавливаются компоненты. Однако такой метод неприменим в случае использования технологии «корпус-на-корпусе». При сборке «на ходу» на печатную плату (ПП) устанавливается одна деталь, после чего последовательно монтируются все остальные детали.
В настоящее время не существует метода нанесения паяльной пасты на поверхность этих деталей после их монтажа друг на друга, поэтому флюс наносится на шариковые выводы верхних компонентов. Эту операцию должна выполнять сборочная система, т.к. компоненты поступают в нее в упаковке. В статье рассматривается только сборочный процесс, и не обсуждаются преимущества использования флюса по сравнению с паяльной пастой.
Нанесение флюса уже многие годы осуществляется разными автоматами по технологии поверхностного монтажа, однако оно редко применяется в серийных сборочно-монтажных SMT-системах. Специализированные автоматы, предназначенные, в первую очередь, для монтажа полупроводников, тоже оснащены установками для нанесения флюса, которые могут работать и с паяльными пастами. В этой статье понятие «флюс» равнозначно понятию «паяльная паста».
Главная задача флюсовой установки заключается в нанесении однородного и совместимого флюса на все компоненты. Их компоновка должна обеспечивать равномерное смачивание флюсом выводов каждого компонента. Его толщина на контактах зависит от диаметра шариковых выводов. Как правило, она составляет 40–50% от диаметра шарика, обеспечивая требуемое покрытие флюсом. Если это значение превышает указанные цифры, флюс может попасть под основание компонента, что нежелательно. Если же толщина нанесенного флюса недостаточно велика, могут возникнуть непропаи.
В поверхностном монтаже используются два основных типа флюсовых установок — линейная (см. рис. 3) и ротационная (см. рис. 4). Флюсовые установки разбрызгивающего типа, которыми оснащены системы для пайки волной припоя или избирательной пайки, не годятся для SMT-систем. Устанавливаемые компоненты погружаются в линейную или ротационную флюсовую установку лишь один раз. Оба типа этих автоматов с резервуаром для флюса обеспечивают его равномерное нанесение в требуемом количестве.

 

Рис. 3. Линейная флюсовая установка

Рис. 4. Ротационная флюсовая установка

Линейные установки наносят флюс однородной толщины с помощью подвижной пластины с полостью, объем которой в точности учитывает требуемые размеры компонентов (см. рис. 5). Эта пластина перемещается под резервуаром в прямом и обратном направлениях, нанося флюс и затем удаляя его излишек. После погружения компонента пластина закрывает резервуар, чтобы пополнить его флюсом и ограничить воздействие воздуха на контакт. Для каждой пластины задаются определенные размеры и глубина полости, поэтому пластину легко выбрать в соответствии с конкретными требованиями. Преимущество линейной установки в том, что толщина наносимого флюса одинакова вдоль всей поверхности. Кроме того, возможность нанесения флюса неправильной толщины исключается при верном подборе пластины с фиксированными параметрами. Однако линейная установка уступает ротационной в тех случаях, когда требуется оперативное изменение толщины наносимого флюса.
Ротационные установки оснащены вращающимся диском, на который подается флюс (см. рис. 5). Ракель счищает излишек флюса, обеспечивая нанесение требуемого количества этого вещества. Толщина флюса подбирается с помощью микрометра, установленного на ракеле. Диск не вращается, если компонент не подготовлен для обработки. Для нанесения флюса одной толщины требуется, чтобы диск вращался постоянно. Следует заметить, что из-за центробежной силы толщина флюса на краю диска немного больше, чем у центра.

 

Рис. 5. Основные узлы двух флюсовых установок

Основной недостаток ротационных флюсовых установок заключается в том, что их диск должен в два раза превышать диаметр самого большого компонента.

Учет высоты сборки и последовательность операций

Помимо возможности погружения компонентов во флюс или паяльную пасту необходимо учесть высоту сборки КнК. В отличие от стандартной технологии поверхностного монтажа, где каждый компонент устанавливается на одной горизонтальной плоскости, высота сборки КнК разная в каждом отдельном случае. Таким образом, сборочная система должна иметь возможность точно учитывать изменения в высоте устанавливаемых компонентов, чтобы исключить чрезмерные усилия при монтаже устройств и не повредить автомат. Способность измерять и учитывать действительную высоту компонентов делает процесс сборки по методу «корпус-на-корпусе» уникальным.
Для определения высоты разных компонентов сборочная система должна точно контролировать положение монтажной головки. Кроме того, автомат должен уметь измерять действительную высоту компонента до добавления следующего слоя. С этой целью на монтажную головку системы устанавливается лазерный датчик, обеспечивающий быстрые и очень точные измерения (см. рис. 6).
Последовательность монтажа также является потенциальной проблемой при монтаже по методу КнК. В некоторых приложениях сборка состоит из разных устройств. В этих случаях необходимо обеспечить правильный порядок их установки. Программное обеспечение монтажной системы должно уметь определять этот порядок во избежание ошибок. Программное обеспечение стандартных систем поверхностного монтажа позволяет рассчитать оптимальную последовательность операций по установке компонентов, что позволяет уменьшить время сборки.

 

Рис. 6. Лазерный датчик измерения высоты

Кроме того, зачастую при сбое монтажные системы продолжают работать, и ошибка множится. Поэтому очень важна не только способность программного обеспечения точно задавать порядок монтажа разных слоев, но и возможность остановить автомат при возникновении ошибки на том или ином слое.

Общие требования

Для успешной сборки методом КнК необходимо, чтобы сборочная система отвечала всем требованиям, предъявляемым к данному виду монтажа. По сути, эти требования ненамного отличаются от требований к SMT-установке компонентов. Главное — учитывать общую высоту конечной сборки, а не высоту отдельных компонентов.

Методы сборки

Существует несколько методов сборки и их вариаций. Приведенные ниже этапы сборки не следует рассматривать как единственно возможные. Нельзя также утверждать, что какой-либо метод монтажа предпочтительнее других, т.к. это, главным образом, определяется каждым конкретным приложением.

Предварительная установка устройств

Сборка по методу КнК с использованием предварительно установленных устройств является многоэтапным процессом. Данный метод наиболее пригоден для приложений, где на каждом слое устанавливается более одного компонента, для компонентов в BGA-корпусах и, например, некоторых пассивных компонентов. На первом этапе все компоненты устанавливаются на одном слое и затем собираются в стопку.
Обычно первый слой реализуется на стандартных печатных платах, которые затем разрезаются. Первый этап идентичен стандартной SMT-сборке, где используется стандартный трафаретный принтер. Выравнивания сборки по высоте также не требуется. Печатная плата подвергается пайке оплавлением и разрезается на отдельные устройства, которые в упаковке поступают в сборочную систему. На заключительном этапе предварительно установленные устройства собираются в стопку по методу КнК. Для обработки первого слоя используется стандартная паяльная паста. Устройства на всех остальных слоях обрабатываются флюсом, и измеряется высота сборки.

Обработка флюсом

Окунание выводов в паяльную пасту является подходящим методом в том случае, если на каждом слое находится только один компонент или сборка состоит из двух слоев. В этом методе обработка и установка компонентов менее трудоемкая.
На обработку выбранных, отцентрированных и установленных компонентов флюсом требуется дополнительное время. По этой причине данный метод не рекомендуется применять, если устройства содержат более одного компонента на каждом уровне. Метод нанесения флюса окунанием очень прост и отличается от стандартной SMT-сборки лишь двумя последними этапами.
1. На базовый слой наносится паяльная паста.
2. Устройства монтируются на слой 1.
3. Измеряется высота каждого ком­понента.
4. Элементы слоя 2 выбираются, флюсуются и устанавливаются.
5. Повторяются шаги 3 и 4 для каждого следующего слоя.
Окунание компонентов во флюс полностью исключает необходимость использования трафаретной печати. Хотя время производства по такому методу увеличивается, стоимость изготовления снижается.

Точность установки компонентов

Как правило, точность установки компонентов по методу КнК должна быть не меньше той, которую обеспечивает любой автомат при работе с BGA-компонентами. Одним из способов повышения точности является использование проверочных точек, которые наносятся на поверхность каждого слоя. Необходимость в таком методе полностью определяется конкретным приложением и точностью автомата. Поскольку устройства помещаются друг на друга, возникает вероятность превышения установленных допусков. Если по какой-то причине нанесение проверочных точек невозможно, сборочные системы с функцией распознавания образов используют в качестве проверочных точек контактные площадки компонентов.
Благодаря отсутствию паяльной пасты на этих площадках достигается достаточно высокая точность. Распознавание образа сборочно-монтажной системой в этом случае, по сути, ничем не отличается от использования проверочных точек в традиционной технологии поверхностного монтажа. С этой целью точки определяются для каждого слоя устройств. Перед установкой последующего слоя показания этих меток проверяются. Основное ограничение на использование данной функции заключается в том, что в большинстве сборочных систем фокус фотокамеры имеет строго фиксированное значение. Это значит, что при наращивании слоев информация с проверочных точек не считывается надлежащим образом.

Верификация процесса

До этапа производства устройства, собранного по методу КнК, необходимо проверить параметры процесса. В первую очередь, следует установить правильность нанесения флюса или паяльной пасты на компоненты. Верификация осуществляется путем установки этих компонентов на пробный образец из меди, майлара или простой бумаги, который помещается на верхнюю часть ПП. След, оставленный компонентом на образце, изучается под микроскопом. В частности, устанавливается, насколько достаточно количество флюса на выводах компонента для дальнейшей пайки оплавлением. Известно несколько следующих причин, по которым на компонентах обнаруживается нехватка флюса или пасты:
– неточное выравнивание флюсовой установки относительно монтажной головки;
– недостаточная толщина флюса;
– недостаточное время погружения компонента во флюс;
– отклонение от плоскостности ПП или подложки.
После проверки качества покрытия флюсом паяные соединения верифицируются на наличие перемычек. Для проверки контактов применяются камеры бокового вида, т.к. применение методов рентгенодефектоскопии затруднено из-за наложения изображений нескольких рядов шариковых выводов на разных слоях сборки.

Выводы

Для успешной сборки устройств по методу КнК стандартный процесс поверхностного монтажа должен помимо прочих функций обеспечить возможность нанесения флюса на компоненты и монтажа их друг на друга. Технологии и оборудование для такой сборки уже разработаны и хорошо известны. Добавление этих возможностей в SMT-технологияю для сборки устройств по методу «корпус-на-корпусе» не сопряжено с какими-либо трудностями и зависит лишь от понимания основных требований, а также специфических требований проектируемой системы.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *

Rambler's Top100