Technologia montażu powierzchniowego

raport
PREZENTACJA FIRMOWA
Technologia montażu
powierzchniowego
– narzędzia i maszyny do produkcji,
stanowiska montażowe
Technologia montażu powierzchniowego (SMT – Surface Mount Technology) jest obecnie najpopularniejszym sposobem montażu podzespołów
na płytkach elektronicznych. W artykule opisano przebieg procesów
technologicznych z nią związanych oraz wykorzystywane w nich narzędzia i maszyny produkcyjne.
Proces technologiczny SMT można podzielić na następujące etapy:
– nakładanie przez szablon pasty
lutowniczej na pola kontaktowe
(pady) płytki drukowanej,
– układanie elementów elektronicznych SMD (Surface Mounted Device) na powierzchni płytki drukowanej,
– przetapianie spoiwa lutowniczego
na polach kontaktowych.
Nakładanie pasty
lutowniczej
Pierwszy etap polega na nanoszeniu pasty lutowniczej na pola kontaktowe płytki drukowanej poprzez
szablon. Wykorzystywane są do tego
maszyny zwane sitodrukarkami.
Proces nadruku past lutowniczych
Wpływ poszczególnych etapów montażu SMT na wady
w połączeniach lutowanych
34
lis t o p a d
2 0 0 8
uważany jest za najbardziej krytyczną operację, której niepowodzenie odpowiada za blisko 70%
wad połączeń lutowanych.
W wyniku postępującej miniaturyzacji podzespołów elektronicznych wymiary pól lutowniczych ulegają ciągłemu
zmniejszeniu, a jednocześnie wymagane jest dostarczenie do tych
pól odpowiedniej ilości pasty lutowniczej w sposób powtarzalny.
Dlatego też istotne jest stosowanie
sitodrukarek odpowiadających
wysokim wymogom odnośnie
precyzji nadruku. Sitodrukarki
Rys. 2
są wyposażane w automatyczwanej, prędkość przesuwu i siła nany system centrowania optycznego płytek drukowanych oraz system cisku rakli oraz liczba przejść rakli
inspekcji, który zapewnia nałoże- przez szablon.
Dodatkowym czynnikiem wpłynie odpowiedniej ilości
pasty na pola lutownicze wającym na jakość montażu jest szai dokładne odwzorowa- blon. W technologii SMT uzyskanie
nie wzoru szablonu. Do- właściwego połączenia podzespołów
kładność nadruku w tego po lutowaniu (bez zwarć) wymaga
typu urządzeniach wyno- nałożenia na powierzchnię pola lusi 20µm (6σ), natomiast towniczego odpowiedniej objętopowtarzalność procesu ści pasty oraz zapewnienie jej oddrukowania 10µm (6σ). powiedniego kształtu. Decydujący
Spełnienie tych parame- wpływ na jakość połączenia ma grutrów zapewniają regula- bość szablonu oraz rozmiar okien
cje takich czynników, jak szablonu. Dotychczasowe badania
Rys. 1
prędkość separacji sza- wskazują na to, że zdolność uwalblonu od płytki druko- niania pasty z okien szablonu istot-
raport
PREZENTACJA FIRMOWA
Widok krawędzi otworów
w szablonie trawionym chemicznie
Rys. 4
Montaż
powierzchniowy
Kolejny etap montażu powierzchniowego polega na osadzaniu na płytce elementów elektronicznych SMD. W tym celu
wykorzystuje się automaty montażowe o dużej wydajności układania elementów liczonej w tysiącach sztuk na godzinę.
Szybkość montażu w główWidok krawędzi
Rys. 3
nej mierze zależy od gęstości
otworów w szablonie
ciętym laserowo
upakowania i rodzaju podzespołów znajdujących się na płytce
nie wpływa na rozpływ pasty oraz drukowanej. W zależności od produna wytrzymałość i wygląd połączeń centa urządzenia konstrukcja i spolutowanych. Szablon powinien cha- sób pracy automatu mogą być różne.
rakteryzować się stabilnością wymia- Automat montażowy zawiera solidną
rową, prostopadłością oraz gładkimi konstrukcyjną ramę, wykonaną jako
ścianami otworów w celu zagwaran- jeden odlew.
towania powtarzalności nanoszeDzięki takiej konstrukcji możlinia pasty lutowniczej. Istnieją dwie we jest osiąganie dużych przyspiepodstawowe technologie wykonywa- szeń i prędkości przy zachowaniu
nia szablonów: trawienie chemiczne odpowiedniej stabilności automatu.
Urządzenia montażowe są wyposai wycinanie laserowe.
Szablony trawione chemicznie sto- żane w systemy głowic montujących,
suje się tylko w przypadku podzespołów, których odległość między
wyprowadzeniami (raster) wynosi
0,625mm i więcej. Szablony wycinane laserem wykorzystywane
są przy montażu podzespołów
o rastrze 0,5mm i mniejszym,
ze względu na większą gładkość oraz prostopadłość otworów w porównaniu do szablonów trawionych chemicznie.
Jeżeli wziąć pod uwagę kryteria ekonomiczne, to szablony wykonywane chemicznie
są najtańsze, natomiast nie zapewniają dostatecznej dokładności nakładania pasty w przypadku elementów typu BGA
(Ball Grid Array), µBGA czy
Rys. 5
flip-chip.
które przenoszą podzespoły elektroniczne SMD z podajników na płytkę drukowaną. Konstrukcja podajników umożliwia układanie wielu
rodzajów elementów w obudowach
SMD. Precyzję ułożenia elementów zapewniają systemy pozycjonowania płytek drukowanych oraz
systemy centrowania laserowego i optycznego podzespołów.
Wszystko to pozwala na układanie elementów w sposób powtarzalny z dokładnością rzędu kilkudziesięciu µm oraz z szybkością >10000
elementów/godz. Koncepcja osadzania podzespołów dla wszystkich maszyn jest taka sama. Na początku automat zostaje zaprogramowany pod
konkretną płytkę drukowaną. Programowanie może być przeprowadzone poprzez ręczne wprowadzenie parametrów przez operatora lub
wczytanie pliku pick&place wygenerowanego z programu typu CAD.
Pierwszy sposób wprowadzania jest
uzasadniony tylko wtedy, gdy płytka
charakteryzuje się małym stopniem
skomplikowania i zawiera niewiele
elementów do montażu.
Następnym etapem procesu jest
określanie punktów referencyjnych
na płytce drukowanej. Umożliwiają
one ustalenie bazy dla montowanych
elementów SMD. W dalszej kolejności program podlega optymalizacji
pod względem wydajności osadzania podzespołów.
W końcowej fazie przygotowania
operator montuje na podajniki wykorzystywane podzespoły i zakłada
je na urządzenie w wyznaczone miejsca, określone w procesie optymalizacji programu. Komponenty zostają
Widok podajników
z założonymi
podzespołami
listo p a d
Rys. 6
2 0 0 8
35
raport
PREZENTACJA FIRMOWA
Rys. 7
pomierzone poprzez system centrowania laserowego lub optycznego.
W tym momencie urządzenie jest
gotowe do osadzania podzespołów.
Poprzez transporter płytka jest podawana do urządzenia, gdzie następuje jej zatrzymanie, rozpoznanie
punktów referencyjnych i rozpoczyna się proces montażu.
Proces lutowania
Ostatnim etapem jest przetapianie spoiwa (pasty lutowniczej) na
polach kontaktowych płytki drukowanej. Do tego celu wykorzystuje się
piece tunelowe.
Składają się one z następujących
podstawowych zespołów: transportera przenoszącego płytki przez piec
oraz systemu stref grzejnych – począwszy od stref grzania wstępnego,
poprzez strefy lutowania aż do strefy
chłodzenia. Podstawowym zadaniem
pieca jest stworzenie optymalnych
i powtarzalnych warunków w procesie przetapiania spoiwa. Najbardziej
krytycznym elementem w procesie formowania połączenia lutowanego jest konstrukcja stref grzania
Rys. 9
36
w procesie przetapiania spoiwa. Najnowocześniejszym i najpopularniejszym rozwiązaniem jest system małych rurkowych dysz umieszczonych
w otworach o większej średnicy.
Nadmuchiwane ciepłe powietrze
przepływa przez rurki w kierunku płytki, a chłodniejsze powietrze
wraca poprzez otwory umieszczone powyżej wylotu dyszy. Im krótszy
jest odcinek pokonywany przez gaz,
tym większa jest efektywność dostarczania ciepła. Oprócz odpowiedniej
konstrukcji pieca, ważnym czynnikiem wpływającym na prawidłowy
proces lutowania podzespołów jest
przebieg profilu charakterystyki temperaturowo-czasowej.
Profil ten ustalany jest, kontrolowany i monitorowany przy pomocy
odpowiednich narzędzi - profilomierzy. Są one wyposażone w termopary i oprogramowanie do rejestracji
zmian temperatury na powierzchni
płytki drukowanej w funkcji czasu.
Profil taki musi odpowiadać charakterystyce zalecanej przez producenta
podzespołu oraz charakterystyce pasty lutowniczej. Z tego powodu nie-
Typowy profil temperaturowoczasowy dla lutowania ołowiowego
lis t o p a d
2 0 0 8
Rys. 8
System rurkowych dysz
zbędna jest duża elastyczność kształtowania charakterystyki. Spełnienie
tych wymagań mogą zapewnić tylko
nowoczesne piece z dużą ilością stref
grzania (powyżej czterech) oraz długimi strefami grzejnymi.
Oprócz opisanej technologii montażu powierzchniowego stosowana
jest również metoda mieszana SMT
składająca się z następujących etapów:
– nakładania kleju termoutwardzalnego poprzez szablon pod elementy SMD,
– utwardzania kleju w piecu tunelowym,
– lutowania przyklejonych elementów SMD na fali lutowniczej.
Tego typu metoda montażu jest
powszechnie używana w aplikacjach
motoryzacyjnych.
Piotr Ciszewski
Semicon Sp. z o.o.
ul. Zwoleńska 43/43A
04-761 Warszawa
tel: 022 615 73 71
[email protected]
http://www.semicon.com.pl
Typowy profil temperaturowo-czasowy
dla lutowania bezołowiowego