Достоинства и недостатки методов пайки

Метод пайки	Достоинства	Недостатки
Двойной волной	Пригоден для пайки как традиционных компонентов, так и монтируемых на поверхность	Компоненты погружаются в припой Малопригоден для термочувствительных ИС Малопригоден для компонентов поверхностного монтажа с четырехсторонней разводкой выводов
Расплавление дозированного припоя в парогазовой фазе	Пригоден для плат с высокой плотностью компонентов Не требуется переворачивания платы при пайке с обратной или обеих сторон платы Высокая стабильность температуры при пайке Во время нагрева платы с компонентами отсутствуют большие температурные градиенты	Пригоден только для элементов поверхностного монтажа Необходимо дозированное нанесение припойной пасты Большой расход спец. дорогостоящих жидкостей Опасность повреждения некоторых компонентов вследствие высокой скорости нагрева Образование в процессе пайки агрессивных веществ (кислот)
Расплавление дозированного припоя с использованием ИК - нагрева	Оптимальные и управляемые скорости нагрева Регулируемый температурно – временной режим пайки Возможность пайки только с одной стороны платы. Низкий уровень опрокидывающихся компонентов в процессе пайки Низкая стоимость процесса пайки Низкие первоначальные капиталовложения	Пригоден только для элементов поверхностного монтажа Необходимо дозированное нанесение припойной пасты Неравномерное поглощение энергии ИК-излучения разными участками платы. Потребность в экранировании теплочувстви-тельных компонентов Некоторые компоненты не прозрачны для ИК-излучения
Лазерная пайка	Нагревается только припойная паста вблизи вывода компонента. Пригоден для теплочувствительных компонентов Обеспечивает высокое качество паяного соединения	Производительность 10 выводов в секунду

Контроль качества

 

       Создание прочных паяных соединений – одна из главных проблем техники поверхностного монтажа. Экспериментально определено, что в паяных соединениях при их формировании возникают напряжения, способствующие образованию и развитию дефектов в местах пайки, приводящих к отказам изделий в процессе эксплуатации. Причин появления напряжений несколько, связаны они со свойствами контактирующих материалов, геометрией контактов, технологическими факторами, функциональной нагрузкой и условиями эксплуатации изделий.

       Исследования, проведенные с применением тензодатчиков и лазерной голографии показали, что результирующая деформация паяных соединений возникает из сложной комбинации трех ее разновидностей, зависящих от циклического изменения температуры паяного соединения, и объясняется усталостью материалов в месте контактирования. Предел выносливости в условиях термоцикла можно повысить за счет увеличения толщины спая и размеров припойной контактной площадки, выступающей за пределы вывода.

       Неплоскостность выводов также ухудшает прочность паяных соединений, внося дополнительный разброс в прочностные характеристики, что следует учитывать при проектировании знакомест КП и припойных покрытий для конкретной конструкции корпуса.

       Для предупреждения в ЭУ дефектов, связанных с термоударами, обычно происходящими во время пайки, иногда пользуются критерием проверки сопрягаемых материалов на устойчивость к температурным градиентам.

       Для разработки и организации стабильного и воспроизводимого процесса пайки необходимо постоянство температуры, состава и массы припоя в течение всего времени работы линии пайки. Это достигается применением автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУТП), объединяющей в своем составе совокупность вычислительных и управляющих устройств, устройств передачи данных приборов, датчиков и исполнительных устройств, а также программное обеспечение.

 

 

 Для обеспечения требуемой прочности паяных соединений необходимо:

· оптимальное проектирование элементов КП с учетом предела выносливости конструкционных материалов, а также припойных материалов;

· применение гибких контрольно – испытательных средств для предупреждения и выявления дефектов пайки, слежения за прецизионным выполнением ТП и своевременным внесением в него коррективов при необходимости;

· учет контролепригодности ЭУ на этапе его проектирования (в том числе для тест – контроля паяемости элементов конструктивов и припойных паст до и после сборки);

· использование методик и средств диагностирования и прогнозирования условий выполнения операций в ТП, обеспечивающих бездефектность изготовления ЭУ;

· минимизация или исключение человеческого фактора в контрольных и контрольно – испытательных операциях;

· прецизионный контроль материалов ТС и программируемая аттестация перед каждым процессом формирования припойных покрытий, сборки и монтажа с помощью средств автоматического тестирования;

· внедрение средств статистического контроля (контрольных диаграмм, причинно – следственных диаграмм, Парето – анализа и др.)

Несмотря на эффективную технологию контроля процесса пайки, включая его организацию, вероятность появления дефектов все же неизбежна, и в этом случае могут быть использованы ремонтные технологические процессы, которые в свою очередь имеют определенную специфику.

 

Конструктивные варианты монтажа на печатной плате

По мере освоения и внедрения ТПМ в производство ЭУ наметились три основных варианта сборки и монтажа их ячеек (или печатных узлов) в зависимости от компоновочной схемы ячеек, типа компонента (ПМК или ТМК) и сложности конструкции ПМК (или корпуса ПМК):

вариант I - чисто поверхностный, когда ПМК устанавливаются и монтируются с одной или с двух сторон КП (рис.16, вариант I, а и б);

вариант II - смешанно-разнесенный, когда с одной стороны платы устанавливаются и монтируются только простейшие ПМК, а с другой стороны - только ТМК, т.е. те, которые предназначены для сборки и монтажа в сквозных отверстиях КП (рис.16, вариант II);

вариант III - полностью смешанный, когда сборка и монтаж ПМК и ТМК (без ограничения по сложности конструкции) осуществляются с любой стороны (или сторон) платы (рис.16, вариант III). Этот вариант имеет наибольшее количество разновидностей реализации, зависящих в основном от степени сложности конструкций ПМК, количества монтажных поверхностей и разнообразия методов и средств реализации сборки и монтажа.

На рис.17 представлен общий алгоритм реализации всех трех вариантов сборки и монтажа ЭУ с применением ТПМ (в том числе с учетом их разновидностей).

Вариант I характеризуется максимальной плотностью компоновки и степенью миниатюризации (особенно двухсторонний ПМ); самым высоким уровнем автоматизации высокоточной сборки при высокой воспроизводимости и малом разбросе электрофизических параметров ЭУ; одноступенчатым, автоматизированным, групповым процессом пайки; повышенной эксплуатационной надежностью и улучшенными выходными характеристиками ЭУ; потенциально низкими затратами на изготовление (а следовательно, низкой себестоимостью изделий) и высоким выходом годных ЭУ; уменьшенным объемом ЭУ (на 40 - 75%) в сравнении с техникой ТМ. Однако полная реализация преимуществ этого варианта требует немалых первоначальных затрат (особенно на технологическое оборудование), решения проблем согласования по ТКЛР материалов КП и компонентов, а иногда и теплоотвода, дефицита отдельных ПМК, а также переквалификации специалистов.

                  

 

Заключение

 

Настоящее учебное пособие направлено на подготовку высококвалифицированных специалистов в области проектирования систем на печатных платах интегрированно с маршрутом проектирования ПЛИС на основе инструментальных возможностей программных модулей САПР компании Mentor Graphics. При этом в пособии комплексно как единое целое рассмотрены современные проблемы схемотехнических решений, проектирования и технологии как элементной базы, так и систем на печатных платах при создании электронных средств.

Учебное пособие подготовлено на основе инновационных курсов, читаемых в МИЭТ на базе вновь организованного «Центра проектирования Mentor Graphics –МИЭТ».

Диапазон средств, предлагаемых Mentor Graphics, охватывает все основные этапы проектирования и верификации интегральных схем, печатных плат и систем – от концептуального уровня до подготовки производства изделий.

       Рассмотренные и выработанные конструкторско-технологические ограничения позволяют перейти к проектированию микросхем с учетом нанотехнологических принципов проектирования печатных плат многоуровневого исполнения, а также перейти к созданию ячеек, модулей в условиях поверхностного монтажа.

Литература

1. Красников Г.Я. «Конструктивно-технологические особенности субмикронных МОП-транзисторов». ЗАО РИЦ «Техносфера», 2002г.

2. В. Немудров, Г. Мартин. Мир электроники. Системы-на-кристалле. «Техносфера». Москва, 2004 г.

3. Элементы микросистемной техники, оборудование и технология их проиводства: Сборник научных трудов / Под. ред. С.П. Тимошенкова. – М.: МИЭТ, 2007. – 144 с.:ил.

4. Микросистемная техника. Моделирование, технология, контроль: Сборник научных трудов / Под. ред. С.П. Тимошенкова. – М.: МИЭТ, 2007. – 208 с.:ил.

5. В. Варадан, К. Виной, К. Джозе ВЧ МЭМС и их применение. М.: Техносфера, 2004.- 548с.

6. Грушевский А.М. Сборка и монтаж многокристальных микромодулей. – М.: МИЭТ, 2003.-196 с.

7. Заводян А.В., А.М. Грушевский А.М. Поверхностный монтаж для производства высокоплотных электронных средств. Уч. пособие с грифом УМО. – М.: МИЭТ, 2006. – 276 с.: ил.

8. Заводян А.В., Грушевский А.М. Анализ сборочно-монтажных процессов электронных средств. Уч. пособие с грифом УМО. – М.: МИЭТ, 2005. – 200 с.: ил.