3.1. КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЭМ-1, ИЗГОТАВЛИВАЕМЫХ В ГПС СБОРКИ И МОНТАЖА

Определение основных конструкторско-технологических характерис­тик ЭМ-1 предполагает анализ: элементной базы ЭМ-1 с позиций ее конст-рукторско-технологической классификации, вариантов поставки, предъяв­ляемых к ней технических требований; конструкторско-технологических особенностей монтажно-коммутационных оснований (печатных плат); ти­повых конструкций ЭМ-1; типовых ТП сборки и монтажа ЭМ-1 в условиях ГПС. Перейдем к последовательному рассмотрению перечисленных выше вопросов.

Краткая конструкторско-технологическая характеристика элементной базы ЭМ-1. Элементная база РЭА (ЭМ-1 в том числе) состоит, в основном, из изделий электронной техники и электротехники (ИЭТ), которые по своим конструкторско-технологическим особенностям подразделяются на 10 групп:

145

 

 

1)         неполярные ИЭТ     с цилиндрической или прямоугольной формой
корпуса и осевыми выводами (резисторы, конденсаторы и др);

2)    полярные ИЭТ      с цилиндрической формой корпуса и осевыми
выводами (диоды, конденсаторы);

3)    ИЭТ    с прямоугольной и дисковой формами корпуса и двумя
однонаправленными выводами (конденсаторы и д.);

4)    полярные ИЭТ    с цилиндрической формой корпуса и двумя одно­
направленными выводами (конденсаторы электролитические и др.);

5)    ИЭТ    с цилиндрической формой корпуса с двумя и более парал­
лельными выводами;

6)         ИЭТ    с прямоугольной формой корпуса с двумя и более однонап­
равленными выводами (ИС в корпусах "Тропа", "Посол" и др.);

7)    ИЭТ   с цилиндрической формой корпуса с двумя и более однонап­
равленными выводами (транзисторы и ИС в корпусах типа "ТО" и Др.);

8)    ИЭТ    с прямоугольной и цилиндрической формой    пластмассово­
го корпуса с тремя однонаправленными выводами (транзисторы в корпу­
сах типа КТ и др.) ;

9)    ИЭТ    с прямоугольной формой корпуса и двухсторонним распо­
ложением  выводов, перпендикулярно    основанию корпуса  (ИС, резис-
торные диоды и транзисторные сборки в корпусах типа 2 (ДИП) и др.) ;

10)   ИЭТ    с прямоугольной формой корпуса и 2- или 4- сторонним
расположением выводов параллельно корпуса (ИС, резисторные диодные
транзисторные сборки в корпусах типа 4, и др.).

Таким образом перечисленные радиоэлементы, полупроводниковые приборы, интегральные микросхемы, электрические характеристики (разъемы) характеризуются следующими параметрами: массой, габарит­ными размерами, жесткостью выводов, точностью изготовления корпу­сов, конфигурацией, наличием и видом ключей, видом поставки, допусти­мыми величинами механических воздействий на корпус и выводы (растя­гивающих и сжимающих усилий, возникающих в процессе формовки выводов). Промышленностью выпускаются радиоэлементы, микросхемы различной формы корпуса:

прямоугольной формы с планарными выводами (габаритные разме­ры: А X В - 7,5 X 7,5 мм; А X В - 52,5 X 22,5 мм);

цилиндрической формы с осевыми выводами (габаритные размеры Д X Н-2Х 6мм; ДХН-20Х 26мм);

цилиндрической формы с радиальными выводами (габаритные разме­ры: Д X Н - 4,5 X 3 мм; Д X Н - 25 X 10 мм);

дисковой формы габаритные размеры: Д X Н 5,0 X 1 мм; Д X Н -17X5 мм);

квадратной формы (габаритные размеры: А X В 4,5 X 4,5 мм; А X В 25X25 мм);

прямоугольной формы (габаритные размеры: АХВ95Х6,5мм; АХ В 59,5X26,5 мм).

Высота корпуса перечисленных радиоэлементов колеблется в пределах от 2,5 до 50 мм, а их масса - от десятых долей граммов до сотен граммов.

 

146
Выводы радиоэлементов, микросхем имеют круглое или прямоугольное сечение. Длина выводов колеблется от 4 до 40 мм. Для выводов использу­ются материалы: медь, платинит, ковар с модулями упругости для указан­ного материала Е = 2,1 X 10 ~⁶ -г 2,5 X 10 Т⁶ кг/см².

Теперь перейдем к рассмотрению особенностей и состояния поставки элементной базы для условий автоматизированной сборки МЭА (ЭМ-1) в условиях ГПС. ИЭТ одного типоразмера, выпускаемые различными пред­приятиями-изготовителями, должны иметь единое конструктивное ис­полнение габаритно-присоединительные размеры и должны изготавливать­ся по единой конструкторско-технологической документации.

Для автоматизации операций ориентации ИЭТ и контроля правиль­ности установки его в электронных модулях при выполнении сборочно-монтажных работ ИЭТ должны иметь четко выраженный и контруктивно оформленный ключ. Ключ, выполненный в виде скоса (выступа, выемки и прочее) на корпусе элемента располагается в зоне первого вывода. Нуме­рация остальных выводов ведется слева направо или по часовой стрелке снизу, т.е. со стороны расположения выводов. Для некоторых ИЭТ опри-ентация при установке в МЭА либо не имеет значения, например, для непо­лярных ИЭТ резисторов, либо обеспечивается за счет упаковки. Так, неполярные ИЭТ - диоды - при упаковке в липкую ленту располагаются таким образом, чтобы все положительные выводы были направлены в одну сторону, а отрицательные — в другую. Лента с положительными выводами при этом обязательно должна быть цветной.

Важнейшее значение для обеспечения возможности эффективной ав­томатизации имеет упаковка ИЭТ . В соответствии с нормативно-техни­ческими документами ИЭТ должны поставляться в следующем виде.

ИЭТ 1-й и 2-й групп поставляются вклеенными в двухрядную лип­кую ленту. Шаг вклейки 5 зависит от диаметра (ширины) элемента и дол­жен быть кратен 5 мм. Ширина липкой ленты а равна 6 или 9 мм. Расстоя­ние между лентами Ъ определяется длиной корпуса ИЭТ и может быть 53, 63 или 73 мм. Полярные ИЭТ вклеиваются в ленту в однозначно ориентированном положении. Положительные выводы ИЭТ вклеиваются в цветную ленту.

ИЭТ 3-й, 4-й, и 8-й групп с проволочными выводами, а также тран­зисторы поставляются вклеенными в однорядную перфорированную ленту (рис. 3.1). Ширина ленты а - 18 мм. Шаг вклейки (шаг перфорированных отверстий) s в зависимости от размера корпуса ИЭТ составляет 12>7 или 15 мм. Расстояние между выводами ИЭТ b равно 2,5 или 5 мм.

В ряде случаев допускается поставка в однорядной ленте и ИЭТЭ 1-й и 2-й групп, когда они устанавливаются на печатные платы в вертикаль­ном положении. Допускается также поставка ИЭТ 3-й и 4-й групп вклеен­ными в двухрядную ленту, что обеспечивает возможность их установки на печатные платы на автоматах, предназначенных для установки резисто­ров (в условиях отсутствия специального технологического оборудования для установки ИЭТ , упакованных в однородную ленту) .

ИЭТ , упакованные в ленты поставляют на катушках вместимостью от одной до пяти тысяч штук ИЭТ с межслойной прокладкой, исключаю-

 

147

 

Рис. 3.1. Упаковка ИЭТ   в однорядную ленту

щей повреждения изделий и их выводов.

ИЭТ 5-й, 6-й, 7-й, и 9-й групп, как правило, поставляются ориентиро­ванными в специальных прямоточных одноручье-вых технологических кас­сетах (рис. 3.2).

ИЭТ 10-й группы поставляются в индиви­дуальной таре-спутнике, исключающей деформа­цию корпуса и выводов при их хранении и транс­портировании, а также обеспечивающей возмож­ность свободного доступа

к выводам для автоматизированного контроля их параметров. Тара-спут­ник выполняется двухдетальной из антистатических материалов. Интеграль­ные схемы (ИС) размещаются в ней строго однозначно - крышкой вниз и с ключом, расположенным в сторону двух пазов тары-спутника.

Обратимся теперь к рассмотрению основных технических требова­ний, предъявляемых в ИЭТ по их стойкости к технологическим воздей­ствиям. К числу таких требований относятся следующие.

Конструкция ИЭТЭ должна обеспечивать трехкратное воздействие групповой пайки и лужения выводов горячим способом без примене­ния теплоотводов и образование надежного паяного соединения при темпе­ратуре пайки не выше 265 °С в течение не более 4 с.

Выводы и контактные площадки ИЭТ должны обеспечивать паяемость с использованием спирто-канифольных не активированных флюсов и спир-то-канифольных не коррозионных слабоактивизированных флюсов (не бо­лее 25 % канифоли) без дополнительной подготовки в течение 12 месяцев с момента изготовления.

ИЭТ   должны сохранять работоспособность, целостность конструкции,

 

148

герметичность,  стойкость покрытий и маркировочных обозначений при очистке в моющих средах при следующих режимах:

в спирто-бензиновой смеси (1 : 1) или спирто-хладоновой смеси (1:19) при виброотмывке с частотой 50 ± 5 Гц и амплитудой колебаний до 1 мм

в течение 4 мин;                                                                                                 ₀

в спирто-хладоновой смеси (1:19) при температуре 45-47 С в тече­ние 2 мин;

в технических моющих средствах типа "Электрин" проточной, дистил-•лированной и деионизированной воде при температуре 65-70 С в течение 5 мин в каждой;

с применением ультразвуковых колебаний в диапазоне частот от 18 до
22 кГц интенсивность звука от 0,4 до 0,6 Вт/см² (амплитуда от 0,4 до
0,6 мкм) в течение 2 мин (кроме полупроводниковых приборов и интег­
ральных схем).                                                                                                                  ,

Краткая технологическая характеристика монтажных оснований (пе­чатных плат) ЭМ-1. Чрезвычайно важной особенностью конструкции элект­ронных модулей является тип ПП (односторонние, двухсторонние и много­слойные) и способ ее изготовления. Особенно сильно отличаются друг от друга технологические процессы изготовления многослойных ПП, основан­ные на таких методах, как: метод металлизации сквозных отверстии; ме­тод открытых контактных площадок; метод послойного наращивания; метод выступающих выводов. В большинстве отраслей промышленности в качестве базового принят метод металлизации сквозных отверстии.

Печатные платы характеризуются следующими параметрами: массой, габаритными размерами, конфигурацией, жёсткостью, допустимой дефор­мацией, точностью изготовления контура печатной платы; количеством и рас­положением монтажных, переходных конструкционных отверстии, распо­ложением и диаметром базовых отверстий, точностью изготовления базовых поверхностей, расположением и видом поверхностей, размерами и располо­жением краевых полей на ПП.

Указанные параметры ПП в соответствии с ограничениями ряда отрас­левых стандартов могут принимать следующие значения:

габаритные размеры печатных плат колеблются в пределах от 175 X X 75 X 0,8 до 360 X 200 X 3 мм;

масса печатных плат доходит до 150 г.

В качестве материала основания в ПП применяются: гетинакс, стекло­текстолит лавсан, фторопласт с величиной модуля упругости Е, колеблю­щейся в пределах от 0,1 * 0,17 X 10 ~^б кг/см² до 0,25 * 0,3 X 10 -^б кг/см². В общем случае, ПП могут быть различной конфигурации: прямоуголь­ной, квадратной, круглой, а также вышеперечисленных форм с вырезами (пазами, окнами). Допустимая деформация печатных плат зависит от ти­па плат, соотношения сторон. В процессе поставки допустимая стрела прогиба для ПП может быть 0,5 мм.

В процессе проведения монтажных операций возможно коробление плат при этом стрела прогиба может достичь 10 мм. ПП по контуру изго­тавливаются чаще всего по свободному классу точности. Допуск по толщи­не у них составляет ± 0,3 мм. В зависимости от типа ПП на ней могут нахо-

149

диться не только монтажные отверстия, но и переходные. Количество пе­реходных" отверстий зависит от сложности рисунка монтажных соединений, реализуемых на плате. Чаще всего переходные отверстия располагаются вне зоны установки радиоэлементов в свободных местах по всему полю платы. На плате размерами 150 X 240 мм количество переходных отверстий может быть до 1000 шт. Центры базовых отверстий располагаются в узлах коорди­натной сетки. Диаметр базовых отверстий в соответствии с требованиями выполняются в пределах от 3 до 4,5 мм. Базовые отверстия располагают­ся вдоль длинных сторон платы. Допуск на расстояния между осями базо­вых отверстий составляет + 0,05 мм. Вокруг базовых отверстий для фик­сации ПП предусматриваются свободные от элементов зоны диаметром от 8 до 10 мм. Кроме базовых отверстий в качестве базовых поверхностей могут выступать пазы на боковых поверхностях платы.

Применительно к ПП для ЭМ-1, изготавливаемой в условиях ГПС сборки и монтажа, выдвигаются следующие основные технические требо­вания.

1.       ПП должны быть прямоугольной формы с соотношением сторон не
более чем  1:2. Это необходимо для того, чтобы обеспечить достаточную
жесткость печатной платы при воздействии на нее механических усилий
со стороны автоматической укладочной головки ГПС.

2.       Для фиксации  ПП  на координатном столе  сборочного автомата
в конструкции печатных плат должны быть предусмотрены базовые фикси­
рующие поверхности, от   которых производится отсчет координат монтаж­
ных отверстий или контактных площадок. Для автоматизированной сбор­
ки в качестве базовых фиксирующих поверхностей можно выбирать отвер­
стия  (например, крепежные), расположенные возле одной из сторон ПП
или по диагонали. Точность расположения фиксирующих отверстий долж­
на быть не ниже ± 0,05 мм. Для автоматической сборки в качестве базо­
вых фиксирующих поверхностей следует выбирать две взаимоперпендику­
лярные стороны  (например, в нижнем левом углу платы). Базирование
на угол платы облегчает автоматическую замену любых ПП, в том числе и
разных типоразмеров, на сборочном автомате. Базирование на отверстия
обеспечивает  возможность  автоматической  замены плат только одного
типоразмера.

Предельные отклонения монтажных отверстий и контактных площадок от базовых поверхностей должны быть не более ± 0,1 мм.

3. ПП должны иметь зоны, свободные от ИЭТ , для фиксации их в направляющих координатного стола сборочного автомата, накопителях ПП и транспортной таре. Эти зоны располагаются, как правило, вдоль длинных краев ПП на расстоянии 5 мм — для бытовой аппаратуры, и на рас­стоянии не менее 2,5 мм — для аппаратуры специального назначения.

Перечисленные основные конструкторско-технологические призна­ки и особенности ИЭТ накладывают существенные ограничения на мето­ды и технические средства пространственного манипулирования, предъяв­ляют особые требования к обеспечению технологичности конструкции ЭМ-1 как объекта автоматической (роботизированной) сборки, прогнози­рованию и оценке показателя собираемости ЭМ-1, достижению требуе-

 

150

мого уровня типизации и унификации конструкторско-технологических решений ЭМ-1, а также элементов конструкции ТМ ГПС сборки и монта­жа ЭМ-1.

Кратная конструкторско-технологическая характеристика ЭМ-1 как объектов автоматизированной сборки и монтажа в ГПС. С позиций сбори и монтажа ЭМ-1 делятся на три группы: ЭМ-1 на ИС со штырьковыми вы­водами; ЭМ-1 на ИС с планарными выводами; ЭМ-1 на дискретных ИЭТ .

Определяющим признаком технологической классификации явля­ется тип элементной базы ЭМ-1, так как именно от нее зависит тип и ха­рактер технологического процесса, который должен быть использован при изготовлении электронного модуля. Однако на практике чаще всего встречаются различные комбинации состава элементной базы, что приво­дит к необходимости использования различных технологических процес­сов. При этом особенно важна принятая последовательность выполнения операций технологического процесса.

Электронные модули изготовления в условиях ГПС должны удовлет­ворять следующим техническим требованиям:

электронный модуль должен быть функционально законченным с тем, чтобы его изготовление, в том числе электрический контроль, можно было организовать на специализированном производстве (участке);

для обеспечения возможности применения групповой пайки волной припоя все ИЭТ со штырьковыми выводами должны раполагаться на печатной плате только с одной ее стороны. Для ИЭТ с планарными вы­водами расположение с двух сторон печатной платы;

автоматизированной установке на печатные платы подвергаются толь­ко те ИЭТ , которые не требуют дополнительного крепления;

вокруг ИЭТ , устанавливаемый на ПП, должны быть предусмотрены свободные зоны — зоны работы инструмента установочных головок. Для повышения плотности монтажа допускается применение принципа "нало­жения" свободных зон. При этом обязательной становится необходимость соблюдения такой последовательности установки ИЭТЭ на плату, при ко­торой первым устанавливается ИЭТ с более широкой зоной, а в послед­нюю —• с наименьшей зоной.

Типовые схемы сборки применительно к типовым конструкциям элек­тронных модулей приведены на рис. 3.3, 3.4 и 3.5.

Из указанных рисунков видно, что сборочно-монтажные работы при изготовлении ЭМ-1 представляют собой сложнейший комплекс различных по характеру механических, физических и химических процессов, сочетаю­щихся между собой в технологическом процессе в различной последова­тельности.

Об этом свидетельствуют такие примеры:

формовка выводов, установка и крепление на печатных платах элект­рорадиоэлементов и интегральных схем — механические процессы;

обезжиривание, склеивание, отмывка от остатков флюсов после пай­
ки — химические процессы;                                                    ^v

лужение, пайка, сварка — физико-химические и физике-металлурги­ческие процессы;

 

151

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.3. Схема технологического процесса сборки ЭМ-1 на ИС со штырьковыми вы­водами

 

 

 

 

Рис. 3.4.   Схема технологического процесса сборки ЭМ-1 на ИС с планарными выво­дами

 

 

 

 

 

Рис. 3.5.   Схема технологического процесса сборки и монтажа ЭМ-1 с применением различной элементной базы

 

 

обжимка, накрутка монтажных соединений - физико-механические процессы и т. д.

Особо следует отметить процессы пайки монтажных соединений, кото­рые являются чисто металлургическими процессами, причем выполненны­ми в трудно контролируемых условиях.

Все эти обстоятельства серьезно повлияли на необходимость обеспе­чения требуемого уровня автоматизации технологических процессов сбор­ки и монтажа ЭМ-1.