Курсовая работа
на тему: «Разработка технологии сборки и монтажа ячейки трёхкоординатного цифрового преобразователя перемещения»
Введение
Рассматриваемая ячейка входит в трёх-координатного цифрового преобразователя перемещений. Преобразователь должен обеспечивать преобразование угловых координат со следующими точностными и динамическими характеристиками:
- разрешающая способность: 20 угл. сек. (16 дв. разр.);
- ошибка преобразования: не более ±0,6 д.у. (± 2 угл. мин.) с учётом точностных параметров датчика, в условиях воздействия групп эксплуатации 1.7.1, 2.1.3, 2.2.2 ГОСТ РВ 20.39.304–98;
- скорость вращения вала датчика: не более 1,5 рад/с (90 град/с);
- ускорения вращения вала датчика: не более 4 рад/с2 (230 град/с2);
- температурный диапазон работы: от -40 до +60 оС;
- потребляемая мощность: не более 10 Вт;
Одним из основных требований к ЦПП являются минимальные габариты и вес. Исходя из этого, размеры ячейки и ее масса должны быть минимальны. Для обеспечения требуемых электрических параметров при минимальных размерах изделия используются элементы высокой степени интеграции, предназначенные для поверхностного монтажа. Высокая эксплуатационная надежность является одним из основных требований к устройствам подобного типа.
Целью данного курсового проекта является разработка технологического процесса (ТП) сборки и монтажа ячейки ЦПП; разработка общего алгоритма реализации ТП и маршрутной карты сборки и монтажа ячейки ИММТ; дать оценку технологичности ячейки.
1. Современное состояние техники поверхностного монтажа
Современные электронные узлы значительно отличаются от устройств разработки конца 80-х – начала 90-х годов прошлого века. Во-первых, новые технологии поверхностного монтажа привели к уменьшению габаритов компонентов в 3–6 раз. Во-вторых, появились новые корпуса интегральных схем с малым шагом между выводами (0,5–0,65 мм), корпуса с шариковыми выводами (BGA), новые малогабаритные дискретные компоненты и соединители. В-третьих, повысилась точность изготовления печатных плат, увеличились возможности для разводки сложных устройств в малых габаритах. Появление новой элементной базы позволяет говорить о возможности воплощения сложных систем на одной плате и даже на одном кристалле (system-on-chip). Это означает, что на одной и той же типичной плате устройства обработки сигналов в малых габаритах размещаются высокочувствительный аналоговый тракт, аналого-цифровой преобразователь, высокоскоростная схема цифровой обработки на процессоре и (или) программируемых логических интегральных схемах, буферные элементы и драйверы линий связи, элементы стабилизаторов напряжения питания и преобразователей уровня, а также другие узлы. Естественно, это накладывает отпечаток на методологию разработки платы.
Современное электронное устройство невозможно представить без применения технологии поверхностного монтажа. Преимущества поверхностного монтажа неоспоримы – высокая плотность компоновки, улучшение электромагнитной совместимости; таким образом, даже в опытных разработках будущее за поверхностным монтажом.
Первые корпуса для поверхностного монтажа появились в конце 50-х – начале 60-х годов прошлого века. Корпуса типа flat pack представляли собой металлический корпус с двусторонним расположением выводов. Отечественному разработчику такие корпуса известны как корпуса «типа 4», в которых было выпущено огромное количество ИС для применений в специальной технике.
Ныне применяется огромное число корпусов поверхностного монтажа с шагом между выводами до 0,5 мм и массивами шариковых выводов (BGA).
При использовании поверхностного монтажа дискретные компоненты и микросхемы с шагом выводов более 1 мм должны быть размещены так, чтобы выводы компонентов не выходили за пределы контактной площадки (рис. 1). Оптимально симметричное расположение компонентов. Такие компоненты паяются методом групповой пайки в конвекционных печах.
К группе поверхностно – монтируемых компонентов относятся пассивные чип-компоненты в корпусах, различающихся по размеру, и прочие ИС в базовых технологических корпусах PLCC, QFP, BGA и т.д. (см. рис. 1). Сюда же относят специализированные технологии, которые еще не стали стандартом электронной сборки или стали им относительно недавно (TAB, flip-chip) и т.д.
Автоматизация процесса установки ПМК стала возможной, благодаря их корпусной chip структуре и, следовательно, поэтому нет необходимости устанавливать компоненты в отверстия на печатной плате. Традиционные компоненты, монтируемые в отверстия, были наиболее узким местом в процессе установки их на плату, поскольку практически полностью исключали возможность автоматизации процесса. Гораздо проще и быстрее автоматизировать процесс установки ПМК, чем монтаж традиционно монтируемых компонентов.
Основные преимущества ТМП:
- снижение массы и габаритов изделия (в 2…6 раза);
- улучшение помехозащищенности, быстродействия и частотных свойств ЭРЭ (паразитная индуктивность и емкость выводов уменьшается в 2…10 раз);
- повышение производительности труда на сборочных работах (в 5 раз), возможность полной автоматизации процесса;
- улучшение качества пайки, повышение надежности, уменьшение количества металлизированных переходных отверстий;
- уменьшение себестоимости, капитальных затрат, транспортных расходов при производстве.
Основные недостатки ТМП:
- недостаточная номенклатура ЭРЭ, приспособленных под поверхностный монтаж;
- очень жесткие (микронные) допуски на точность изготовления;
- отсутствие единых стандартов на размеры корпусов, топологию контактных площадок, электрические характеристики;
- сложность оборудования ТМП, необходимость освоения новых технологических процессов, высокие начальные финансовые затраты;
- сложность выполнения ремонтных и контрольно-измерительных работ.
Специалисты ведущих электронных корпораций придерживаются мнения, что преимущества ТМП перевешивают недостатки, и в будущем многие проблемы будут так или иначе решены.
2. Возможные варианты сборки и монтажа ячеек ЭУ
Для упрощения анализа и разработки алгоритма ТП, а также выбора технологического оборудования, варианты размещения компонентов на плате целесообразно свести к 3 вариантам и их разновидностям (см. рис. 2). Каждый из вариантов имеет как свои плюсы, так и минусы. Необходимо помнить, что когда разработчик выбирает тип сборки, его целью должна быть минимизация числа операций, так как каждая операция увеличивает промышленную стоимость изделия.
Существует также четвертый вариант – чисто традиционный, когда традиционно – монтируемые компоненты (ТМК) (без ограничения по сложности) устанавливаются и монтируются с одной стороны платы, либо, что крайне редко, с двух сторон ПП, причем с обратной стороны устанавливают только единичный ТМК но в любом случае вариант IV неэффективен и, следовательно, неперспективен. Это связано не только с потребностью в монтажных отверстиях (при этом существенно возрастают массогабаритные показатели и ограничиваются функциональные возможности ЭУ), но и с потенциально большими затратами на сборочно – монтажные операции.
Целесообразность выбора варианта IV может быть в некоторых случаях оправданна дефицитностью ПМК, либо потребностями макетирования ЭУ.
В ячейке ИММТ ПМК и ТМК монтируются как с одной, так и с другой стороны платы. Таким образом, сборка и монтаж будут осуществляться по варианту IIIг (см. рис. 4). Этот способ позволяет добиться высокой плотности монтажа, что требуется для данного устройства.
Сборка и монтаж компонентов ячейки ИММТ будет осуществляться на многослойную ПП. Материал платы – фольгированный стеклотекстолит марки FR4.
3. Основные технологические операции сборки ячеек ЭУ
На первый взгляд кажется, что применение автоматизации в опытном, практически единичном производстве невозможно, потому что требуются большие капиталовложения и существует риск того, что они не окупятся в последующем. Но гибкая автоматизация производства повышает производительность, увеличивает надежность и качество продукции, сокращает длительность производственного цикла, особенно в условиях мелкосерийного или опытного, но многономенклатурного производства. Поэтому, в таком случае гибкоавтоматизированное оборудование быстро себя окупает [10].
Подготовка ПМК и ТМК к сборке
ПП и компоненты поступают на сборку подготовленными с удостоверенным уровнем качества. Подготовка ТМК, как правило, включает в себя:
· распаковку компонентов;
· рихтовку, зачистку, формовку, обрезку, лужение выводов;
· размещение компонентов в технологической таре (либо на ленте рассчитанной, на загрузочные узлы автоматов).
Подготовка ПМК обычно сводится к обезжириванию и контролю паяемости. Редко проводятся такие специфические операции, как:
· осветление выводов;
· лёгкое протравливание слабой кислотой;
· доращивание выводов для безвыводных кристаллодержателей;
Основной характеристикой качества подготовки компонентов является паяемость [10]. Паяемость является ключевым аспектом проектирования для обеспечения воспроизводимости ТП. В промышленности разработано большое число методов контроля паяемости:
· измерение краевого угла смачивания (q) (см. рис. 5);
· по высоте, или скорости подъема припоя в капиллярном зазоре;
· по величине поверхностного натяжения и др.
Процесс дозированного формирования припойных материалов также относят к подготовительным операциям.
В зависимости от типа производства подготовительные операции могут выполняться вручную, на полуавтоматах или автоматах.
Трафаретный метод нанесения припойной пасты
Одним из важных процессов в производстве ячеек, является метод трафаретного нанесения припойной пасты на ПП, в котором паста продавливается через трафарет (окна) на контактные площадки (КП) печатной платы. Припойная паста уже содержит в себе и припой, и флюс, а их пропорция одна из важных характеристик пасты. Материалом трафарета может быть как сплав никеля, так и нержавеющая сталь. Отверстия в трафарете обычно прорезаются лазером или протравливаются.