Технология производства ЭС лекции
advertisement
Министерство образования и науки Российской Федерации
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ им. А.Н. ТУПОЛЕВА-КАИ»
КАФЕДРА «КОНСТРУИРОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА
ЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ»
В.И. Крючатов
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДИСЦИПЛИНЫ
ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА ЭЛЕКТРОННЫХ
СРЕДСТВ
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ
Направление 210200.62: конструирование и технология электронных
средств
Казань 2014
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………….. 5
Глава 1: ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
СИСТЕМ
………………………………………………………………………... 7
1.1 Основные понятия технологии ЭС …………………........................... 7
1.2 Характеристики качества технологических процессов …………… 11
1.3 Порядок проектирования технологических процессов …………… 13
1.4 Стадии разработки технологической документации ……………… 16
1.5 Технологичность конструкций элементов и деталей ЭС …………. 18
Глава
2.
МОДЕЛИРОВАНИЕ
И
ОПТИМИЗАЦИЯ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
ПРОЦЕССОВ
………………………………………………. 24
2.1. Моделирование технологических процессов ……………………... 24
2.2. Математические модели технологических процессов …………… 29
2.2.1 Математическое моделирование …………………………………. 29
2.2.2 Метод наименьших квадратов ……………………………………. 30
Глава 3. ПЛАНИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА …………………... 39
3.1 Введение ……………………………………………………………… 39
3.2 Основные понятия планирования эксперимента ………………….. 40
3.3 Общие требования к плану эксперимента. О критериях
планирования эксперимента …………………………………………….. 43
3.4 Планы для моделей, описываемых полиномами первого порядка . 46
3.4.1 Вид модели …………………………………………………………. 46
3.4.2 Полные факторные планы ………………………………………… 46
3.4.3 Дробные факторные планы ……………………………………….. 47
3.4.4 Формулы для вычислений и свойства полных и дробных
факторных плановдля линейных моделей ……………………………... 49
3.5 Планы для моделей, содержащих линейные члены и взаимодействия
различного порядка ……………………………………………………… 50
3.5.1 Вид модели …………………………………………………………. 50
3.5.2 Полные факторные планы для моделей типа (3.33) ……………... 51
3.5.3 Дробные факторные планы для модели типа (3.33) и порядок
смешивания оценок коэффициентов …………………………………… 51
3.5.4 Вычислительные формулы и свойства планов 2n–p ……………… 55
Глава 4. ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ЭС …….. 56
4.1 Конструктивно-технологическая классификация деталей ЭС …… 56
4.2 Методы размерной обработки изделий ……………….……………. 58
4.2.1 Электрофизические и электрохимические методы обработки
деталей ЭС ……………………………………………………………….. 63
4.2.2 Технологические процессы обработки деталей ЭС давлением … 66
4.2.3 Технологические процессы обработки деталей ЭС резанием ….. 71
2
4.2.4 Изготовление деталей ЭС из пластмасс ………………………….. 73
4.2.5 Изготовление деталей ЭС из керамических и
металлокерамических материалов ……………………………………… 79
4.2.6 Технология изготовления контактных и упругих элементов …... 84
4.3 Защитные покрытия …………………………………………………. 86
4.3.1 Общие сведения, классификация покрытий ……………………... 86
4.3.2 . Подготовка поверхности перед нанесением покрытий ………... 86
4.3.3 Металлические негальванические покрытия …………………….. 88
4.3.4 Неметаллические химические покрытия ………………………… 89
4.3.5 Металлические и неметаллические гальванические покрытия … 90
4.3.6 Лакокрасочные покрытия …………………………………………. 92
4.4 Герметизация ЭС …………………………………………………….. 92
4.4.1 Способы герметизации и технологические требования,
предъявляемые к качеству ………………………………………………. 92
4.4.2 Материалы, применяемые для герметизации ……………………. 94
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ …………………....... 98
5.1 Виды печатных плат и конструкционные материалы для их производства ……………………………………………………………………. 98
5.2 Основные операции изготовления ПП ……………………………. 108
5.2.1 Механическая обработка ПП ……………………………………. 108
5.2.2 Формирование токопроводящих элементов ПП ……………….. 112
5.3 Технологические процессы изготовления односторонних и двусторонних печатных плат ………………………………………………….. 120
5.3.1 Методы изготовления печатных плат …………………………... 120
5.4 Технология изготовления многослойных печатных плат ……...... 127
5.5 Контроль и испытания печатных плат ………………..................... 130
5.6 Технологическая оснастка изготовления печатных плат ………... 133
Глава 6. УСТАНОВКА КОМПОНЕНТОВ НА ПЕЧАТНЫХ
ПЛАТАХ ………………………………………………………………... 137
6.1 Компоненты для установки на печатных платах ………………… 137
6.2 Сборка модулей на печатных платах ……………………………... 143
6.3 Пайка на печатных платах …………………………………………. 151
6.3.1 Общие сведения …………………………………………………... 152
6.3.2 Пайка в парогазовой среде ………………………………………. 154
6.3.3 Другие методы пайки …………………………………………….. 154
6.3.4 Технология нанесения припойной пасты ……………………….. 155
6.3.5 Очистка плат после пайки ……………………………………….. 161
6.3.6 Технология поверхностного монтажа …………………………... 162
6.4 Контроль в сборочном производстве печатных плат ……………. 163
6.4.1 Автоматическая оптическая инспекция (АОИ) ………………… 164
6.4.2 Рентгеновские контрольные технологические установки ……... 165
6.4.3 Электрический контроль ………………………………………… 165
6.4.4 Тестирование многослойных ПП ………………………………... 166
6.4.5 Методы тестирования сборок …………………………………… 167
6.4.6 Ремонт печатных плат ……………………………………………. 168
3
Глава 7. МЕТОДЫ ВЫПОЛНЕНИЯ МОНТАЖНЫХ
СОЕДИНЕНИЙ ……………………………………………………….. 170
7.1 Методы выполнения электрических соединений ………………... 170
7.1.1 Классификация методов выполнения электрических
соединений ……………………………………………………………… 170
7.1.2 Методы выполнения сварных монтажных соединений ……….. 172
7.1.3 Электрическое соединение методом накрутки ………………… 176
7.1.4 Соединение проводящими клеями ……………………………… 176
7.1.5 Электрические соединения методом пайки ……………………. 177
7.1.6 Выбор материалов для монтажной пайки ………………………. 181
7.1.7. Технология выполнения пайки …………………………………. 185
7.1.8 Подготовка компонентов ЭС к монтажу ……………………….. 187
7.2 Групповые методы пайки ………………………………………….. 188
7.3 Монтаж плоскими ленточными кабелями ………………………... 192
7.4 Технология жгутового монтажа …………………………………… 194
7.5 Механическая сборка радиоэлектронной аппаратуры …………... 196
7.6 Соединение склеиванием …………………………………………... 199
Глава 8. ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ
ПРИ РАЗРАБОТКЕ, ПРОИЗВОДСТВЕ И
ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭС ……………………………………………….. 204
8.1 Общие положения ………………………………………………….. 204
8.1.1 Структура жизненного цикла изделия ………………………….. 204
8.1.2 Качество выпускаемой продукции ……………………………… 204
8.1.3 Культура производства …………………………………………... 205
8.1.4 Программы обеспечения качества и надежности на этапе разработки, производства и эксплуатации ………………………………….. 205
8.2 Теория обеспечения заданной точности выходных
параметров изделий ЭС ………………………………………………... 210
8.3 Автоматизированные системы технологического обеспечения
качества при производстве микроэлектронной аппаратуры для ЭС ... 211
8.3.1 Технологический процесс изготовления тонкопленочных
интегральных схем с резистивными элементами …………………….. 212
8.4 Приемочный контроль и испытания ЭС ………………………….. 221
8.5 Техническое обслуживание и ремонт ЭС ………………………… 224
8.5.1 Безотказность неремонтируемых и ремонтируемых изделий … 224
8.5.2 Готовность и ремонтопригодность ЭС …………………………. 227
8.5.3 Периодичность и продолжительность профилактических работ 229
Глава 9 ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
ПРОЦЕССЫ ЭС ………………………………………………………. 232
9.1 Технология внутреннего монтажа ………………………………… 232
9.2 LTCC технология …………………………………………………... 233
Приложение ……………………………………………………………. 240
Рекомендуемая литература ………………………………………….. 242
4
Введение
Целью курса лекций является ознакомление с основами проектирования технологических процессов электронных средств (ЭС); изучение специальных технологических процессов, элементов и средств их автоматизации,
ознакомления с моделированием, оптимизацией и применением типовых
технологических процессов, изучение методики проектирования технологических процессов, обеспечивающих эффективность производства и качество
продукции.
Особенностью настоящего времени в разработке и изготовлении самых различных электронных средств – это широкое использование интегральных микросхем (ИМС) и программируемых ИМС различного уровня
интеграции, которые выпускаются в большом ассортименте и используются
при изготовлении ЭС как электро - радиоэлементы (ЭРЭ).
Изучение особенностей производства ЭС необходимо начинать с конструктивно – технологического анализа аппаратуры, который позволяет
сформулировать основные технологические задачи производства.
ЭС представляют собой совокупность элементов, объединенных в узлы и устройства, предназначенных для преобразования и обработки информации.
По способу обработки представляемой информации ЭС делятся на
аналоговые, цифровые и гибридные.
По характеру выполняемых операций ЭС делятся на: моделирующие,
универсальные, специализированные.
По способу эксплуатации их делят на стационарные и транспортируемые.
Элементы, рассчитанные на совместную работу в ЭС, различаются по
функциональным, физическим, конструктивно – технологическим признакам и типам связей.
Назначение аппаратуры определяет состав устройств, технические и
конструктивно – технологические требования к ним.
К техническим требованиям относятся: количество и уровень выполняемых функций, быстродействие, надежность, взаимозаменяемость и др.
К конструктивно – технологическим требованиям относятся: соблюдение функционально – узлового принципа конструирования, технологичность, минимальные габариты и масса, ремонтопригодность, защита от
внешних воздействий.
Требования по надежности включают в себя обеспечение вероятности
безотказной работы, определённой наработки на отказ, среднего времени
восстановления работоспособности, долговечности и т.д.
5
Требования по эксплуатации предусматривают простоту управления,
обслуживания, контроля и наладки, решения вопросов эргономики и инженерной психологии.
Производство ЭС должно быть экономически эффективным, что требует непрерывного снижения затрат времени, труда, материальных средств
на разработку, изготовление и эксплуатацию.
Значимость перечисленных требований зависит от вида аппаратуры и
её назначения. Для универсальной аппаратуры главное надежность и стоимость, для бортовой – высокая надежность, минимальные габариты и масса.
Функционально–узловой принцип конструирования ЭС основан на
объединении функционально законченных схем в узлы и их модульной
компоновки. Базовые конструкции имеют несколько уровней модульности,
предусматривающих объединение простых модулей в более сложные.
К модулям первого уровня относятся ИМС и ЭРЭ.
Модули второго уровня – типовые элементы замены (ТЭЗ) или печатные платы, конструктивно и электрически объединяющие ИМС и дискретные ЭРЭ.
Модули третьего уровня представляют собой панели (блоки), которые
с помощью плат, или каркасов объединят ТЭЗ в конструктивный узел. На
этом уровне может быть получено самостоятельно функционирующее
устройство.
Модулями четвертого уровня – рама, в которой размещаются панели и
устройства охлаждения.
Модуль пятого уровня – стойка (шкаф), которая служит для размещения рам с панелями и дополнительных устройств.
Конструктивное и функциональное разделение ЭС на модули позволяет успешно решать ряд технологических задач. В условиях производства
независимо друг от друга изготавливаются основные конструктивные узлы
аппаратуры. Осуществляется параллельная сборка модулей, которая может
быть механизирована и автоматизирована. Предварительная настройка и регулировка функциональных параметров модулей позволяют сократить время
настройки устройств и аппаратуры в целом. Появляется возможность системного подхода к конструированию и производству путём машинного решения задач размещения элементов и трассировки межсоединений, а также
автоматизации установки элементов, некоторых операций электрического
монтажа и контроля модулей.
Конструктивно – технологическое направление развития ЭС обусловлено стремлением к уменьшению габаритов и массы аппаратуры, а также
повышению надежности и технологичности. Это достигается путём микроминиатюризации аппаратуры, повышения степени интеграции и комплексного подхода к разработке конструированию и технологии производства ЭС.
При изготовлении микроэлектронной аппаратуры для обеспечения
надежности большое значение имеют автоматизированные системы технологического качества, принципы построения которых рассматриваются в
изложенном материале.
6
Глава 1: ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
СИСТЕМ
1.1 Основные понятия технологии ЭС
Изделием в производстве называется любой предмет или набор предметов, подлежащих изготовлению. Изделием может быть деталь, сборочная единица, комплекс и комплект. Применительно к ЭС под изделием понимается как само ЭС, так составляющие ее элементы и детали.
Деталь - изделие, изготовленное из однородного по наименованию и марке материала без применения сборочных операций, например ось, клемма, рама
и т. д.
Сборочная единица - изделие, составные части которого подлежат соединению на предприятии - изготовителе сборочными операциями (свинчивание, сварка, пайка, склеивание), например: ячейка, ТЭЗ, разъем, блок и т. д.
Комплекс - два или более изделия, несоединенных на предприятииизготовителе сборочными операциями, но предназначенные для выполнения
взаимосвязанных эксплуатационных функций. Каждое изделие в комплексе имеет свое назначение, например: измерительный комплекс, вычислительный комплекс, и т. д.
Комплект - два или более изделия, несоединенные на предприятииизготовителе сборочными операциями и представляющие набор изделий, имеющих общее эксплуатационное назначение вспомогательного характера, например: ремонтный комплект, комплект запасных частей и т. д. Изделие, имеющее
две или более детали, соединенные разъемным или неразъемным соединением,
называют узлом.
Производственный процесс представляет собой совокупность всех действий людей и орудий производства, необходимых для изготовления изделий
РЭА. В состав производственного процесса входят все действия по изготовлению, сборке, контролю качества выпускаемых изделий; хранению и перемещению его деталей, полуфабрикатов и сборочных единиц на всех стадиях изготовления; организации снабжения и обслуживания рабочих мест, участков и цехов;
управлению всеми звеньями производства, а также комплекс мероприятий по
технологической подготовке производства.
Производственный процесс делится на основной и вспомогательный. К
основному производственному процессу относят процессы по изготовлению
продукции; к вспомогательному - процессы складирования, транспортировки,
ремонта, энерго- и водоснабжения и др.
Технологический процесс (техпроцесс) - часть производственного процесса, непосредственно связанная с последовательным изменением состояния
предмета труда с превращением его в готовую продукцию. Технологические
процессы строят по отдельным методам их выполнения (процессы литья,
механической и термической обработки, покрытий, сборки, монтажа и контроля РЭА) и разделяют на операции.
7
Технологическая операция - это законченная часть ТП, выполняемая на
одном рабочем месте, над одним или несколькими изделиями, одним или несколькими рабочими. Условие непрерывности операции означает выполнение
предусмотренной работы без перехода к изготовлению или сборке изделия.
Например, подготовка ленточных проводов к монтажу включает в себя мерную
резку, удаление изоляции с определённых участков провода, нанесение покрытия на оголённые токоведущие жилы. Состав операции устанавливают не только
на основе технологических соображений, но и с учётом организационной целесообразности.
Технологическая операция (ТО) является основной единицей производственного планирования и учёта. На основе операций оценивается трудоёмкость
изготовления изделий, устанавливаются нормы времени и расценки, определяется требуемое количество рабочих, оборудования, приспособлений и инструментов, ведётся планирование производства и контроль качества работ.
Технологические операции, в свою очередь, делят на установы, позиции,
переходы, приёмы.
Установ или установка - часть технологической операции, выполняемая
при неизменном закреплении обрабатываемой заготовки (заготовок) или собираемой сборочной единицы.
Технологический переход (переход) - законченная часть технологической операции, характеризуемая постоянством применяемого инструмента и
поверхностей, образуемых обработкой или соединяемых при сборке.
Вспомогательный переход - законченная часть технологической операции, которая не сопровождается изменением формы или состояния заготовки, но
необходима для выполнения технологического перехода. Например, установка
заготовки, ее закрепление и т. д.
Проход - часть перехода, заключающаяся в снятии одного слоя материала
с обрабатываемой поверхности.
Рабочий ход - законченная часть перехода, состоящая из однократного
перемещения инструмента относительно заготовки, сопровождаемого изменением формы, размеров, шероховатости или свойств заготовки.
Вспомогательный ход - законченная часть перехода, состоящая из однократного перемещения инструмента относительно заготовки без изменения формы, размеров, шероховатости или свойств заготовки.
Холостой ход - то же, что и вспомогательный ход для станков-автоматов.
Позиция - каждое новое положение заготовки относительно инструментов при неизменном ее закреплении в приспособлении. Например, поворотное
многопозиционное приспособление.
Прием - это законченная совокупность действий человека в процессе
выполнения работы или подготовки к ней, объединённых одним целевым
назначением (пуск станка, выключение и т. п.).
Рабочее место - часть производственной площади, оснащенной основным
технологическим и вспомогательным оборудованием и средствами, закрепленными для выполнения операции.
Такт выпуска - интервал времени, через который производится выпуск
8
изделий. Например, 1 компьютер через 10 мин.
Ритм выпуска (производительность) - обратная величина такта - количество изделий в единицу времени.
Виды технологических процессов
Различают три вида технологических процессов (ТП): единичный,
типовой, групповой.
Единичный ТП разрабатывается для изготовления или ремонта изделия одного наименования, типоразмера и изготовления независимо от типа производства.
Разработка единичного ТП включает в себя следующие этапы.
1. Анализ исходных данных и выбор действующего типового, группового
ТП или аналога единичного процесса.
2. Выбор исходной заготовки и метода ее получения.
3. Определение содержания операции, выбор технологических баз и составление технологического маршрута (последовательности) обработки.
4. Выбор технологического оборудования, оснастки, средств автоматизации
и механизации ТП.
5. Назначение и расчет режимов выполнения операций, нормирования переходов и операций ТП, определение профессий и квалификации исполнителей и техники безопасности.
6. Расчет точности, производительности и экономической эффективности
ТП. Выбор оптимального ТП.
7. Оформление рабочей технологической документации.
Необходимость каждого этапа, состава задач и последовательности решения определяется в зависимости от типа производства. Типизация ТП позволяет устранить их многообразие с обоснованным сведением к ограниченному числу типов.
Типовой ТП характеризуется единством содержания и последовательности большинства технологических операций и переходов для групп
изделий с общими конструктивными признаками.
Типизацию начинают с классификации изделий. Классом называют
совокупность деталей, характеризуемых общностью технологических задач.
В пределах класса детали разбивают на группы, подгруппы и т.д. до типа.
Практически к одному типу относят детали, для которых можно составить
один технологический процесс.
Типовой ТП разрабатывается с учетом последних достижений науки
и техники, опыта передовых рабочих, что позволяет значительно сократить
цикл подготовки производства и повысить производительность за счет применения более совершенных методов производства.
При изготовлении ЭВС широко применяют типовые технологические
процессы при изготовлении микросхем, печатных плат, типовых элементов
замены (ТЭЗ) и др.
9
Групповой технологический процесс предназначен для совместного изготовления или ремонта групп изделий с разными конструктивными, но
общими технологическими признаками.
При группировании одна из наиболее сложных деталей принимается
за комплексную. Эта деталь должна иметь все поверхности, встречающиеся
у деталей данной группы. Они могут быть расположены в иной последовательности, чем у комплексной детали. При отсутствии такой детали в группе
создается условная комплексная деталь.
Групповые технологические операции и схемы настройки станка разрабатываются для комплексной детали. По этому технологическому процессу можно обрабатывать любую деталь группы без значительных отклонений
от общей схемы. Если при обработке какой-либо детали не требуется весь
комплект инструментов, то используются только необходимые, пропуская
ненужные. В отдельных случаях возможны замены одного инструмента другим и небольшие подналадки.
Групповой ТП используют: для механической обработки деталей на
универсальном оборудовании (обрабатывающих центрах), для электромонтажных сборочных и других операций, что делает целесообразным применение высокопроизводительных автоматов и полуавтоматов в мелкосерийном производстве (например, для установки и пайки микросхем с планарными выводами на печатной плате).
Типы производства. В зависимости от номенклатуры, регулярности,
стабильности и объёма выпуска изделий выделяют три основных типа производства продукции - единичное, серийное и массовое.
Единичное производство характеризуется широтой номенклатуры и
единичным или малым объёмом выпуска изделий. При этом под объёмом
выпуска подразумевается количество изделий определённых наименований,
типоразмера и исполнения, изготовляемых предприятием или его подразделениями в течение планируемого интервала времени, процесс изготовления
которых не повторяется или повторяется через неопределенный промежуток
времени.
Серийное производство характеризуется ограниченной номенклатурой
изделий, изготавливаемых периодически повторяющимися партиями. В зависимости от количества изделий в партии различают мелко -, средне- и крупносерийное производство. Выпуск партий еженедельный, ежемесячный или ежеквартальный. Объём выпуска изделий серийного типа колеблется от десятков
и сотен до тысяч единиц.
Массовое производство характеризуется узкой номенклатурой и большим объёмом выпуска изделий, непрерывно изготовляемых в течение длительного периода времени. Коэффициент закрепления операций массового
производства равен 1, т.е. на каждом рабочем месте закрепляется выполнение одной постоянно повторяющейся операции, требующей использования
рабочих невысокой квалификации. При этом используется специальное высокопроизводительное оборудование, которое расставляется по ходу технологического процесса с промежуточными складами - накопителями деталей и
10
сборочных единиц, и во многих случаях связывается конвейерами с постами
промежуточного автоматического контроля. Оборудование и оснастка, как
правило, специальное, дорогое и высокопроизводительное, требуемая точность
достигается методами автоматического получения размеров на настроенных
станках при обеспечении взаимозаменяемости обрабатываемых заготовок и
собираемых узлов. Для массового производства возможно изготовление продукции на автоматических линиях, цехах и даже автоматических заводах.
1.2 Характеристики качества технологических процессов
Технологический процесс характеризуется: точностью, стабильностью, устойчивостью, трудоемкостью, производительностью, экономичностью.
Точность ТП устанавливают по показателям точности выполнения
заданной функции или заданного состояния.
Стабильность ТП – это постоянство во времени параметров распределения показателей точности.
Устойчивость ТП – это свойство ТП сохранять точность во времени
на отдельной операции или переходе.
Стабильный ТП является устойчивым, если он происходит без вмешательства оператора. Устойчивый процесс может быть нестабильным.
Контроль точности ТП направлен на определение величины приближения действительных показателей и их номинальным значениям.
Объектами контроля точности могут быть все элементы ТП, в том
числе продукция на различных стадиях её изготовления: оборудование,
оснастка и вспомогательные материалы, используемые при изготовлении
продукции, деятельность работников, осуществляющих ТП.
Контроль точности ТП производят по переходам и операциям с охватом всего производства в целом.
Целью контроля точности является получение информации для регулирования ТП. Для этого необходимо провести оценку точности ТП, определения соответствия точностных характеристик оборудования нормам точности, устанавливаемым в нормативно – технической документации.
Оценку точности ТП производят по точности его элементов с учетом их взаимосвязи или по точности изготовляемой продукции.
Характеристику точности ТП считают полностью определенной, если
установлены:
1. случайные и систематические погрешности контролируемых параметров;
2. функция распределения случайных и систематических погрешностей;
3. зависимости между погрешностями изготовления.
Допускается оценка точности ТП по:
-наихудшему показателю точности одного из параметров из общей их
совокупности;
11
-усредненному показателю точности, определяемому отношением
суммы показателей точности к их числу
и
КТ
КТi
i 1
;
n
-показателю точности одного из параметров, в наибольшей степени
влияющие на эксплуатационные характеристики.
При оценке точности ТП контролируемыми являются параметры, которые определяют качественное изменение продукции при данном процессе.
Оценка точности должна производится по параметрам, влияющим на
функциональные показатели продукции в целом и определяющим нормальных ход технологического процесса.
Оценка точности и стабильности ТП должна включать следующие
этапы:
1. измерение контролируемых параметров деталей;
2. статистическую обработку результатов измерений;
3. анализ результатов статистической обработки.
Результаты оценки точности ТП должны давать возможность:
1. разрабатывать и осуществлять мероприятия, обеспечивающие точности
изготовления продукции в соответствии с требованиями технической документации;
2. устанавливать количественные значения отдельных составляющих погрешностей изготовления и зависимости между погрешностями изготовления на различных операциях одного ТП;
3. определять значения случайных и систематических погрешностей, уровень настройки и другие характеристики, необходимые для расчета показателей точности и стабильности ТП;
4. рассчитывать границы регулирования ТП при внедрении статистического
регулирования;
5. выявлять факторы, приводящие к нарушению точности, и степень их
влияния на точность ТП.
Производительность. При выборе оптимального варианта технологического процесса по производительности определяется количество изделий, при котором трудовые затраты по сравниваемым вариантам будут одинаковыми.
Обычно высокая производительность обработки обеспечивается за
счет более производительного оборудовании и оснастки, однако при этом
возрастает подготовительно – заключительное время.
При сравнении двух вариантов, для которых имеются Т1шт и Т1П3; Т2шт
и Т2П3, причём Т1шт < Т2шт, Т1П3 > Т2П3, определяют критическую партию Nкр
при котором оба ТП равноценны.
N КР (Т П 31 Т 2 П 3 ) /(Т 2 ШТ Т 1ШТ )
12
При Nгод > Nкр более производительным будет 1-ый вариант, при
Nгод < Nкр – второй.
Экономичность. Технологическая себестоимость изготовления годовой программы Nгод определяется из выражения:
С ГОД аN ГОД b ,
где, а – текущие расходы, повторяющиеся при изготовлении каждой детали.
а m ЗШ Р ,
где m – расходы на материал; Зш – расходы на заработанную плату; Р. – расходы связанные с работой оборудования;
b З П.К С ОС К ,
где Зп.з – оплата подготовительно – заключительного времени; Сос – расходы
на изготовление специальной оснастки; К – коэффициент амортизации и
эксплуатации оснастки (при двухгодовом сроке эксплуатации К=0.7, при годовом К=1.2).
1.3 Порядок проектирования технологических процессов
Этапы типового производственного процесса изготовления изделия
с использованием печатных плат. На этапе проектирования объединяются
усилия специалистов различных профилей. При проектировании новых технологических процессов разрабатываются: модели операций, технологическое оборудование, технологическая документация.
В технологической документации приводятся параметры технологического процесса, соблюдение которых гарантирует выпуск качественной
продукции.
Технологический процесс изготовления изделий состоит из нескольких
последовательных этапов:
На печатные платы устанавливаются многочисленные компоненты: резисторы, конденсаторы, интегральные схемы, выводы которых соединены в
единую электрическую схему. Отдельные печатные платы и другие компоненты собираются в блоки, образуя законченную конструкцию.
На этапе настройки с помощью специальных настроечных элементов
выходные параметры элементов доводятся до заданных значений.
На этапе герметизации осуществляется защита узлов и блоков от влияния внешней среды.
На этапе испытаний изготовленную аппаратуру испытывают при воздействии вибраций, удара, высокой температуры, влаги.
13
На всех этапах изготовления осуществляется тщательный контроль
операций.
Рис. 1.1. Производственный процесс изготовления электронных схем
Исходная информация для разработки технологических процессов
Разработка новых типовых технологических процессов сегодня требует концентрации финансов в рамках холдингов (концернов). Отдельно взятому предприятию это не под силу. В этой связи воспоминания о прекративших свою деятельность отраслевых технологических институтах не так
уж бесполезны сегодня.
Перечислим основные виды исходной технико-экономической информации, используемой при разработке технологических процессов:
– типовые техпроцессы и операции;
– технологический классификатор объектов производства;
– классификатор технологических операций;
– стандарты ЕСТД и ЕСТПП;
– система обозначений технологических документов (см. ЕСТД);
– стандарты и каталоги на средства технологического оснащения;
– нормативы технологических режимов;
– материальные и трудовые нормативы и др.
Исходными данными для разработки технологических процессов на
конкретное изделие являются:
конструкторская документация на изделие (сборочные чертежи,
рабочие чертежи, электрические схемы, монтажные схемы);
технические требования на изделие, где указываются дополнительные требования к изделию, например, маркировка, виды контроля и испытаний;
спецификация на входящие в изделие компоненты;
объем выпуска продукции;
14
сроки выпуска (еженедельно, ежемесячно, ежеквартально);
наличие технологического оборудования, оснастки;
справочная, нормативная литература, программы.
Основные задачи разработки технологических процессов
Разработка технологических процессов в соответствии с ЕСТПП в
общем случае включает комплекс взаимосвязанных работ, состав и поледовательность которых зависят от сложности изделия и типа производства:
– выбор заготовок;
– выбор технологических баз;
– подбор типового технологического процесса;
– определение последовательности и содержания технологических
операций;
– определение, выбор и заказ новых средств технологического оснащения (в том числе средств контроля и испытания);
– назначение и расчет режимов обработки;
– нормирование процесса (трудовое и материальное);
– определение профессий и квалификации исполнителей;
– организация производственных участков;
– выбор средств механизации и автоматизации элементов технологических процессов и внутрицеховых транспортных средств;
– составление планировок производственных участков и разработка
операций перемещения изделия и отходов;
– оформление рабочей документации на технологические процессы.
Виды и правила разработки процессов контроля
Процессы контроля можно классифицировать как технологические
процессы (см. выше). Объектами контроля могут быть материалы (основные
и вспомогательные), полуфабрикаты, заготовки, изделия (детали, сборочные
единицы, комплексы, комплекты), технологические процессы. Проверке
подвергаются также упаковка, комплектность, консервация и сопроводительная документация.
Различают входной, операционный, приемочный контроль. По полноте охвата контролером любая категория контроля подразделяется на сплошной и выборочный контроль, а по связи с объектом контроля — на непрерывный, периодический и летучий. Последний может быть только выборочным.
Уровень автоматизации и механизации процессов технического контроля (ТК) должен отвечать требованиям техпроцесса изготовления изделия,
а также условиям и типу производства. Операции ТК должны предусматривать получение информации для регулирования технологического процесса,
а также обеспечивать предупреждение с заданной вероятностью пропуска
дефектных материалов, заготовок, полуфабрикатов, деталей и сборочных
единиц для последующего изготовления изделия.
15
Более подробно основные задачи разработки технологических процессов, влияние типа производства на объем и содержание проектирования технологических процессов, порядок проектирования техпроцессов сборки и
монтажа ЭС, порядок разработки технологических операций, порядок выбора и разработки средств технологического оснащения, трудовое нормирование и нормирование расхода материалов рассматриваются в курсе лекций по
технологической подготовке производства.
1.4 Стадии разработки технологической документации
Единые правила выполнения, оформления, комплектации и обращения
технологической документации установлены в комплексе стандартов Единой системы технологической документации (ЕСТД), являющейся настольной книгой технолога. Эти ГОСТы начинаются с цифры 3.
ГОСТ 3.1102–2011, например, устанавливает стадии разработки, виды
и комплектность технологических документов, которые в нем делятся на основные и вспомогательные. Основные технологические документы, в свою
очередь, в указанном ГОСТе делятся на документы общего и специального
назначения.
Основные технологические документы используют, как правило, на
рабочих местах. Вспомогательные технологические документы разрабатывают с целью улучшения и оптимизации организации работ по технологической подготовке производства. Производные технологические документы
применяют для решения задач, связанных с нормированием трудозатрат,
выдачей и сдачей материалов, полуфабрикатов и комплектующих изделий.
Различают следующие виды технологических документов:
ведомость технологических маршрутов (ВТМ) - сводная информация
по технологическому маршруту изготовления изделия и его составных
частей;
ведомость материалов (ВМ) - сводные подетальные нормы расхода
материалов на изделие;
ведомость специфицированных норм расхода материалов (ВСН) сводные данные по специфицированным нормам расхода материалов на
изделие;
ведомость удельных норм расхода материалов (ВУН) - удельные нормы расхода материалов, применяемых при выполнении процессов на покрытия;
ведомость применяемости деталей (сборочных единиц) в изделии
(ВП) - указания о применяемости деталей (сборочных единиц) в изделии;
ведомость применяемости стандартных, покупных, оригинальных деталей и сборочных единиц (ВП/СОП) - то же, что и ВП;
16
ведомость сборки изделия (ВП/ВСИ) - порядок сборки изделия с учетом очередности входимости составных частей и их количества;
технологическая ведомость (ТВ) - указания по группированию деталей
и сборочных единиц по конструкторско-технологическим признакам;
ведомость технологических документов (ВТД) - полный состав технологических документов, применяемых при изготовлении изделия;
ведомость оснастки (ВО) - полный состав технологической оснастки,
применяемой при изготовлении (ремонте) изделия;
ведомость оборудования (ВОБ) - полный состав оборудования, применяемого при изготовлении (ремонте) изделия;
технологическая инструкция (ТИ) - описание повторяющихся приемов
работы, действий по наладке и настройке средств технологического
оснащения, приготовлению растворов, электролитов, смесей и др., а также отдельных типовых и групповых технологических процессов (операций);
маршрутная карта (МК) - сводные данные по составу применяемых
операций, оборудованию, технологических документов и по трудозатратам на технологический процесс;
операционная карта (ОК) - описание единичных технологических операций;
паспорт технологический (ТП) - комплекс процедур по выполнению
технологических операций исполнителями, технологическому контролю,
контролю представителями заказчика или госприемки;
журнал контроля технологического процесса (ЖКТП) - предназначен
для контроля параметров технологических режимов, применяемых при
выполнении операций на соответствующем оборудовании, и др.
карта измерений (КИ)
При разработке ТП обязательны следующие технологические документы: маршрутная карта (МК), операционная карта (ОК) технологическая
инструкция (ТИ).
Первым листом комплекта технологических документов является титульный лист (ТЛ), а для указания полного состава комплекта есть ведомость технологических документов (ВТД).
Стадии разработки ТД, применяемой для ТП изготовления изделий
определяются в зависимости от стадий разработки используемой КД по
ГОСТ 2.103. То есть ТД присваивается литера в соответствии с литерой используемой КД. Например, если изготавливается опытный образец по КД с
литерой «О», то ТД также присваивается литера «О».
17
1.5 Технологичность конструкций элементов и деталей ЭС
Технологичность конструкций ЭС - совокупность свойств конструкции, проявляющихся при технической подготовке производства, изготовлении, эксплуатации и ремонте, по сравнению с соответствующими показателями однотипных конструкций изделий того же назначения при обеспечении установленных значений показателей качества и принятых условиях изготовления, эксплуатации и ремонта.
Эти условия определяются специализацией и организацией производства, применяемыми технологическими процессами и годовой программой.
Если, например, на предприятии появляется новое технологическое оборудование и, как следствие, новые технологические процессы, то меняются и
взгляды на технологичность конструкций изделий.
Оценка технологичности может быть качественной и количественной,
абсолютной и относительной. По области проявления технологичность может быть производственной и эксплуатационной.
Понятие «технологичность» включает в себя большое количество параметров изделия, техпроцессов и непосредственно производства. Анализ
технологичности позволяет оценить возможность использования для изготовления деталей, сборки и монтажа изделия известных методов выполнения операций и процессов, выполняемых на достаточно высоком уровне механизации и автоматизации.
Оценку комплексных показателей технологичности конструкции осуществляют для:
1) опытного образца (опытной партии);
2) установочной серии;
3)серийного производства.
Рассматривают узлы и блоки, являющиеся сборочными единицами, а в
отдельных случаях производят оценку технологичности изделия в целом.
В зависимости от конструктивно-технологических особенностей сборочные единицы разбивают на группы:
1) электронные блоки (логические, аналоговые и индикаторные, блоки
оперативной памяти, генераторы сигналов и т.д.);
2) радиотехнические блоки (вторичные и стабилизированные источники
питания, выпрямители, приемо-передающие блоки и т.д.);
3) электромеханические и механические блоки (механизмы привода, отсчётные устройства, кодовые преобразователи, редукторы, волноводные
блоки и т.д.);
4) коммутационно-распределительные блоки (коммутаторы, коробки
распределительные, переключатели и т.д.).
Наиболее важными показателями технологичности конструкции изделий являются трудоёмкость изготовления и технологическая себестоимость.
В отраслевых стандартах, разрабатываемых на основе государственных
18
стандартов, приводится номенклатура базовых (частных) показателей и методика их определения.
Для каждой группы изделий определён состав из семи базовых показателей. Их выбирают с учётом наибольшего влияния на технологичность
конструкции блоков. Состав базовых показателей, их ранжированная последовательность зависит от вида группы.
Количественная оценка технологичности электронных узлов проводится по системе базовых показателей (см. ниже). По базовым показателям
рассчитывается комплексный показатель технологичности по выражению:
7
7
i 1
i 1
Ктех = Кi φi / φi ,
φi = i / 2i-1,
где φi - коэффициент весовой значимости показателя, i – порядковый номер
показателя в ранжированной последовательности; Кi. – базовый показатель
технологичности.
В части выбора набора базовых показателей и ранжирования их последовательности ЕСТПП предлагает воспользоваться рекомендациями отраслевых нормативных материалов (ОСТ.107.15.2011-86, для изделий с
электромонтажом - РД.107.7.3001-86, для механических изделий РД.107.7.3002-86, для деталей - РД.107.7.3003-86) в части оценки технологичности конструкций сборочных единиц и деталей.
Базовые показатели технологичности блоков различного назначения
приведены ниже.
Базовые показатели технологичности электронных блоков.
1.Коэффициент использования микросхем и микросборок в блоке
Ки.мс.= Нмс / Нэрэ , 1 = 1.000 ,
где Нмс – общее количество микросхем и микросборок в блоке (изделии), шт.; Нэрэ – общее количество электрорадиоэлементов (ЭРЭ), шт.
К ЭРЭ относят микросхемы, микросборки, транзисторы, диоды, резисторы, конденсаторы и т.п.
2.Коэффициент автоматизации и механизации монтажа изделий
Ка.м.= На. м. / Нм. , 2 = 1.000 ,
где На.м – количество монтажных соединений, которые осуществляются механизированным и автоматизированным способом, шт.; т.е. имеется оборудование, механизмы или оснащение для выполнения монтажных соединений; Нм. - общее количество монтажных соединений, шт.
3.Коэффициент автоматизации и механизации подготовки ЭРЭ к монтажу
Км.п.ЭРЭ = Нм.п.ЭРЭ/НЭРЭ, 3 = 0,750,
где Нм.п.ЭРЭ - количество ЭРЭ, подготовка которых к монтажу может осуществляться механизированным и автоматизированным способом, шт, т.е.
имеется оборудование, механизмы или оснащение для выполнения этих
операций; В число таких ЭРЭ включаются ЗРЭ, не требующие специальной
подготовки к монтажу (реле, разъемы, патроны и т.п.).
19
4. Коэффициент автоматизации и механизации операций контроля и
настройки электрических параметров
Км.к.н. = Нм.к.н./Нк.н., 4 = 0,500,
где Нм.к.н. - количество операций контроля и настройки, которые можно осуществлять механизированным или автоматизированным способом, шт
(в число таких операций включаются операции не требующие средств механизации); Нк.н. - общее количество операций контроля и настройки, шт.
5. Коэффициент повторяемости ЭРЭ
Кп.ЭРЭ = 1 - Нтр.ЭРЭ/НЭРЭ, 5 = 0,310,
где Нтр.ЭРЭ - общее количество типоразмеров ЭРЭ в блоке (изделий), шт.
Под типоразмером ЭРЭ понимается габоритный размер без учета номинальных значений.
6. Коэффициент применяемости ЭРЭ
Кпр.ЭРЭ = 1 - Нтр.ор.ЭРЭ/Н тЭРЭ, 6 = 0,187,
где Нтр.ор.ЭРЭ - количество типоразмеров оригинальных ЭРЭ в изделии (блоке), шт; Н тЭРЭ - общее количество типоразмеров ЭРЭ в изделии.
К оригинальным деталям следует относить составные части (детали,
узлы, электрорадиоэлементы), разрабатываемые и изготавливаемые впервые.
7. Коэффициент прогрессивности формообразования деталей
Кф = Дпр/Д, 7 = 0,110,
где Дпр - количество деталей, полученных прогрессивными методами
формообразования (штамповкой, прессованием, литьем под давлением и
т.п.), шт; Д - общее количество деталей (без нормализованного крепежа) в
блоке (изделии), шт.
Базовые показатели технологичности радиотехнических блоков.
1. Коэффициент автоматизации и механизации подготовки ЭРЭ к монтажу
Км.п.ЭРЭ = Нм.п.ЭРЭ/НЭРЭ, 1 = 1,000,
где Нм.п.ЭРЭ - число ЭРЭ, подготовка и монтаж которых осуществляется механизированным и автоматизированным способом, шт; НЭРЭ - общее количество ЭРЭ, шт.
2. Коэффициент автоматизации и механизации монтажа
Ка.м. = На.м./Нм, 2 = 1,000,
где На.м - число монтажных соединений, осуществляемых автоматизированным и механизированным способом, шт; Нм – общее число монтажных соединений, шт.
3. Коэффициент сложности сборки
Кс.сб = 1 - Ет.сл/Ет, 3 = 0,750,
где Ет.сл - число типоразмеров узлов, требующих регулировки в составе изделия, пригонки или совместной обработки с последующей разборкой и
сборкой, шт; Ет - число типоразмеров узлов изделии, шт.
4. Коэффициент автоматизации и механизации операций контроля и
настройки электрических параметров
20
Км.к.н = Нм.к.н./Нк.н, 4 = 0,500,
где Нм.к.н - число операций контроля и настройки, выполняемых механизированным и автоматизированным способом, шт; Нк.н - общее число операций
контроля и настройки.
5. Коэффициент прогрессивности формообразования деталей
Кф = Дпр/Д, 5 = 0,310,
где Дпр - число деталей, получаемых прогрессивными методами формообразования, шт; Д - общее число деталей (без нормализованного крепежа), шт.
6. Коэффициент повторяемости ЭРЭ
Кп.ЭРЭ = 1 - Нтр.ЭРЭ/НЭРЭ, 6 = 0,187,
где Нтр.ЭРЭ - число типоразмеров ЭРЭ, шт; НЭРЭ - общее число ЭРЭ, шт.
7. Коэффициент точности обработки
Кт.о. = 1 - Дт.о/Д, 7 = 0,110,
где Дт.о - число деталей, имеющих размеры с допусками по 10-му квалитету
точности и выше.
Базовые показатели технологичности электромеханических и
механических блоков.
1. Коэффициент точности обработки
Кт.о = 1 - Дт.о/Д, 1 = 1,000.
где Дт.о - число деталей, шт, имеющих размеры с допусками по 10-му квалитету точности и выше; Д - общее число деталей (без нормализованного крепежа).
2. Коэффициент прогрессивности формообразования
Кф = Дпр/Д, 2 = 1,000,
где Дпр - число деталей, получаемых прогрессивными методами формообразования (штамповкой, прессованием, литьем и т.д.), шт; Д - общее число деталей, шт.
3. Коэффициент сложности обработки
Кс.о = 1 - Дн/Д, 3 = 0,750,
где Дн - число деталей ( заимствованных и стандартных), требующих обработки со снятием стружки, шт; Д - общее число деталей, шт.
4. Коэффициент повторяемости деталей
Кпов = 1 - (Дт + Ет)/(Д + Е), 4 = 0,500,
где Дт - число типоразмеров деталей в узле, шт; Ет - число типоразмеров узлов в изделии, шт; Д - общее число деталей, шт; Е - общее число узлов в изделии, шт.
5. Коэффициент сборности изделия
Ксб = Е/( Е + Д), 5 = 0,310,
где Е - число узлов в изделии, шт; Д - общее число деталей ( без нормализованного крепежа), шт.
6. Коэффициент сложности сборки
Кс.сб = 1 - Ет.сл/Ет, 6 = 0,187,
где Ет.сл - число типоразмеров узлов, входящих в изделие, требующих регулировки в составе изделия, пригонки или путем совместной обработки с по21
следующей разборкой и сборкой, шт; Ет - число типоразмеров узлов в изделии, шт.
7. Коэффициент использования материалов
Ки.м = М/Мм, 7 = 0,110,
где М - масса изделия без учета комплектующих; Мм - масса материала, израсходованного на изготовление изделия.
Часть данных для расчета берется из технической документации на
изделие. Количество контактных соединений на плате определяется подсчетом выводов навесных элементов, петель объемного проводного монтажа,
проводов-перемычек. Так как на плате все контактные соединения получают
пайкой, то оценивается возможность механизации пайки, с учетом конструкции соединения (планарный вывод, штыревой вывод, и т. д.), известных способов пайки, наличия оборудования и серийности производства.
Возможность механизации подготовки выводов навесных элементов к монтажу определяется наличием стандартных форм выводов, типом и типоразмерами их корпусов. Для их формовки применяют приспособления с ручным приводом, штампы и механизированные устройства.
Коэффициент механизации контроля и настройки относительно невелик, так как для сборки электронных узлов необходим ряд трудоемких и маломеханизированных операций контроля: проверка плат перед монтажом,
качество отмывки и лакировки плат, приклейки прокладок под корпуса
навесных элементов, пайки их выводов. Функциональные параметры платы
контролируются на специальных стендах.
Уровень технологичности разрабатываемого изделия оценивается относительно нормативного комплексного показателя Кн, согласно
ГОСТ14.201-83 это отношение должно удовлетворять условию К/Кн 1, где
Кн выбирают из таблицы 1.1.
Таблица 1.1
Тип блоков
опытный образец
(партия)
установочная серия
серийное производство
Электронные
0,4 - 0,7
0,45 - 0,75
0,5 - 0,8
Радиотехнические
0,4 - 0,6
0,75 - 0,8
0,8 - 0,85
0,3 - 0,5
0,4 - 0,55
0,45 - 0,6
Электромеханические и механические
Приведем некоторые правила-рекомендации по отработке конструкции ЭС на производственную технологичность с целью ее повышения:
- повышение серийности изделий и их составных частей за счет группирования, унификации и стандартизации;
- ограничение номенклатуры конструкций и применяемых материалов;
22
- изготовление деталей из стандартных заготовок;
- преемственность освоенных в производстве конструктивных решений,
соответствующих современным требованиям;
- конструкция детали (узла) должна иметь оптимальные точность и шероховатость поверхностей
- снижение массы изделия;
- применение высокопроизводительных групповых и типовых технологических процессов и средств технологического оснащения;
- применение наиболее прогрессивных методов формообразования;
- широкое применение средств механизации и автоматизации.
Практическая отработка конструкции на технологичность осуществляется:
- конструктором при разработке изделия. Он, таким образом, должен
хорошо знать возможности и ограничения того производства, на котором
будет изготовляться изделие;
- нормоконтролером в процессе нормоконтроля;
- технологом в процессе технологического контроля конструкторской
документации;
- в процессе получения всевозможных согласующих подписей и утверждений, который сопровождается, как правило, внесением огромного количества изменений в конструкцию и технологический процесс.
Оперативность внесения этих изменений, несомненно, также влияет
на технологичность конструкций изделий.
В силу противоречивости частных критериев технологичности в процессе обеспечения технологичности может случиться так, что, повышая технологичность сборки, мы одновременно существенно снизим технологичность деталей. Наиболее распространенная и предлагаемая в курсовых проектах мера по обеспечению технологичности сборки несущих конструкций
(корпусов) ЭС за счет отказа от винтовых соединений и перехода на защелки отрицательно отразится на технологичности новых деталей корпуса. На
практике это означает, что наши предприятия не всегда готовы делать эти
детали. Для внедрения новых технологий понадобятся новые материалы и
новые пресс-формы, которые стоят недешево. Однако, сославшись на изложенную выше методику оценки технологичности, можно дополнить список
частных показателей технологичности сборки еще одним показателем, характеризующим изменение технологичности деталей. Далее все решит величина весового коэффициента для нового частного показателя. Общие рекомендации по расчету новых показателей технологичности, отсутствующих в отраслевой методике, можно найти в ГОСТ 14.201-83.
23
Глава
2.
МОДЕЛИРОВАНИЕ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
И
ОПТИМИЗАЦИЯ
2.1. Моделирование технологических процессов
Основой при построении модели ТП является максимально возможное
по адекватности описание ТП. Описание - это совокупность сведений об исследуемом процессе. Описание представляется в виде формул, схем, текста,
таблиц экспериментальных данных, характеризующих ТП, параметров
внешних воздействий, режимов работы и т.д.
В зависимости от рассматриваемых характеристик ТП используют
модели: статические, динамические, детерминированные, стохастические.
Статическая модель отражает функциональные зависимости между
технико-экономическими показателями ТП и его параметрами, не зависящими от времени.
Динамическая модель является результатом формализации ТП, параметры которого функции времени или производные по времени.
Детерминированная модель отражает существование однозначной
функциональной зависимости между исследуемыми показателями качества
ТП и значениями его параметров.
Стохастическая модель. Модель, у которой соответствующий ей параметр стохастический. Выходная переменная стохастического ТП всегда
случайна, даже при наличии детерминированных входных переменных.
Стохастическая модель - результат формализованного описания
связей между вероятностными законами распределения техникоэкономических показателей процесса и его параметров, которые могут быть
рассмотрены в виде случайных величин или случайных функций. Такую модель можно описать с помощью вероятностных законов распределения,
уравнений регрессии, автокорреляционных функций, математических ожиданий интересующих нас характеристик.
Структура модели. Каждая модель представляет собой некоторую
комбинацию таких составляющих, как компоненты, переменные, параметры, функциональные зависимости, ограничения и целевые функции.
Компоненты - составляющие, которые при соответствующем объединении образуют ТП.
Переменные - величины, которые могут принимать только значения,
определяемые видом данной функции. В модели ТП различают экзогенные
(входные) переменные, являющиеся результатом внешних воздействий; эндогенные переменные, возникающие в ТП в результате внутренних воздействий (их называют переменные состояния, когда они характеризуют состояние ТП, и выходными переменными, когда они определяют качество выпускаемой продукции).
Параметры - величины, которые выбирают и устанавливают, после
чего они являются постоянными величинами не подлежащие изменению.
24
Функциональные зависимости выражают связи между компонентами системы. Эти зависимости по своей природе являются детерминированными либо стохастическими. Детерминированные зависимости - это зависимости, которые устанавливают соотношения между определенными параметрами и параметрами в тех случаях, когда выходные переменные процесса однозначно определяются заданной информацией на его входе.
Ограничения представляют собой устанавливаемые пределы изменения пределы изменения переменных или ограничивающие условия проведения процесса. Ограничения могут быть искусственные и естественные.
Примером искусственных ограничений является большинство требований к
системам. Естественные ограничения обусловлены самой сущностью ТП.
Целевая функция (функция критерия или критерий оптимизации) это отображение целей и задач ТП. Выделяют два вида критериев оптимизации:
качественные или количественные характеристики ТП, выработанные практикой;
критерии оптимизации, положенные в основу аналитических,
графоаналитических, численных и машинных (ЭВМ) методов оптимизации.
Критериями оптимизации первого вида служат экономические, технико-экономические, технико-технологические показатели функционирования
ТП (точность, надежность, стабильность, устойчивость). Большинство технико-экономических показателей, которые применяют или рекомендуют в
качестве критериев оптимизации, связаны с качеством выпускаемой продукции. Качество выпускаемой продукции влияет на выбор ТП, качество
применяемых материалов, оборудования, приспособлений и инструментов,
определяет режимы обработки, производительность, продолжительность
технологического цикла и др. Следовательно, для многих процессов качество выпускаемой продукции является тем общим фактором, с которым связаны различные технико-экономические показатели.
При стохастических моделях выбор оптимальных характеристик процесса должен быть выполнен на основе теории вероятности и случайных
процессов. При изучении стохастических характеристик критерия оптимизации вычисляют числовые значения, хотя для некоторых массовых процессов определяют общие характеристики, то есть вероятностные законы распределения.
Нахождение числовых значений сводится к определению оценок математических ожиданий, корреляционных и дисперсионных функций отдельных показателей входных и выходных переменных.
Требования к модели. Модель должна быть:
- простой;
- целенаправленной;
- надежной (гарантия от ошибочных решений);
- удобной в управлении и обращении;
25
- полной с точки зрения решения возможности решения главных задач;
- аддитивной, позволяющей легко переходить к другим модификациям
или обновлять имеющиеся, допускающей усложнения;
- нетривиальной;
- мощной;
- изящной;
- релевантной;
- точной;
- результативной;
- экономичной;
- непрерывной;
- чувствительной.
Нетривиальная модель описывает физическую сущность, вскрывая явления, невидимые при непосредственном наблюдении.
Мощная модель позволяет решать различные технологические задачи.
Изящная модель имеет достаточно простую структуру и легко просчитывается на ЭВМ.
Релевантная модель позволяет решать сложные задачи.
Точная модель позволяет получать результаты с высокой достоверностью.
Результативная модель, если получаемые результаты успешно применяются на практике.
Экономичная модель, если эффект от внедрения результатов превышает расходы на ее создание и использование.
Наиболее широко используют модели, описывающие детерминированную основу процесса, регрессивные модели, в которых подлежащие
определению коэффициенты линейны:
n
f (a , x ) a i i ( x )
i
i
f (a , x ) a i x i ;
n
Виды функций i(x) определяют как путем физического анализа процесса, так и с помощью (при наличии достаточного количества статической
информации) канонических представлений случайных процессов.
Построение модели.
При построении модели необходимо определить:
1.назначение модели;
2.компоненты, которые должны быть включены в состав модели;
3. параметры и переменные, относящиеся к этим компонентам;
4.функциональные соотношения между компонентами, параметрами и
переменными.
При решении вопроса о том, какие компоненты следует включить,
необходимо определить число переменных, которое должно входить в модель, после чего необходимо уточнить функциональные связи между ними.
26
Цель создания модели:
1) оценка - определение, насколько хорошо ТП предлагаемой структуры соответствует некоторым конкретным критериям;
2) сравнение - сопоставление конкурирующих ТП, рассчитанных на
выполнение определенной функции, а также некоторых технологических
режимов;
3) прогноз - оценка качества ТП при некотором предполагаемом сочетании факторов;
4) анализ чувствительности - выявление из большого числа действующих факторов тех, которые в наибольшей степени влияют на качество ТП;
5) оптимизация - выявление такого сочетания действующих факторов,
при котором обеспечивается наилучшее качество ТП;
6) выявление функциональных соотношений - выявление природы
взаимозависимости двух или нескольких действующих факторов и качества
ТП;
Модель должна удовлетворять двум условиям:
1) взаимно однозначное соответствие между элементами модели и
элементами представляемого ТП;
2) сохранение точных соотношений или взаимодействий между элементами.
Соответствие модели реальному ТП называют изоморфизмом. Степень изоморфизма модели относительна и большинство моделей более гомоморфны, чем изоморфны. Под гомоморфизмом понимается сходство по
форме при различных основных структурах, при этом имеет место лишь поверхностное подобие различных групп элементов и ТП. Гомоморфные модели получают в результате упрощения и абстракции. Под упрощением подразумевают пренебрежение несущественными деталями (факторами) или
принятие предложений при более простых соотношениях. Упрощения бывают, необходимы и оправданы, если требуется построить модели, поддающиеся математическому описанию. При упрощении модели выполняют следующие операции:
- переводят часть переменных в константы;
- исключают некоторые переменные или объединяют их, заменяя одной переменной;
- предполагают линейную зависимость между исследуемыми переменными;
- вводят более жесткие ограничения.
Модель должна отображать те стороны ТП, которые соответствуют
задачам исследователя.
Построение модели на основе эксперимента.
Построение модели на основе эксперимента состоит из двух этапов.
На первом этапе получают и анализируют информацию о входных и выходных переменных изучаемого ТП, различных его компонентов, соотношени27
ях между ними как количественного, так и качественного характера. На этом
этапе производят:
1) формулирование цели и задачи эксперимента с выдвижением основных гипотез, подлежащих проверке;
2) выбор объекта исследования, его переменных которые будут изменяться, и переменных, которые будут зафиксированы во время эксперимента;
3) определение методики эксперимента, необходимого оборудования,
приборов и инструментов, выбор метода фиксации выходных переменных и
оценку точности и правильности результатов измерений;
4) определение пределов измерения переменных во время эксперимента, а также определяют количество экспериментов, комбинацию и количество уровней переменных, при которых необходимо провести исследования;
5) оценку необходимости и определение числа дублирующих экспериментов;
6) проверку и оценку расхода материальных и временных ресурсов на
эксперимент и вносят коррективы в предыдущие этапы;
7) составление плана проведения экспериментов;
8) определение метода обработки результатов измерений и пути проверки выдвинутых гипотез; разрабатывают программу для обработки экспериментальных данных.
На втором этапе проводят эксперимент. Различают пассивный и активный эксперименты:
1) пассивный - расположение экспериментальных точек в факторном
пространстве без предварительного учета математической обработки подготовки эксперимента.
2) активный - расположение точек эксперимента в факторном пространстве оптимизируется согласно критерию планирования эксперимента.
Для выбора плана эксперимента следует: определить критерии планирования; синтезировать экспериментальную модель; сравнить полученную
модель с существующими моделями и выбрать оптимальный план.
При составлении плана необходимо построить структурную, функциональную и экспериментальную модели.
Структурная модель характеризуется числом факторов и уровней для
каждого фактора. Структурную модель выбирают исходя из цели эксперимента.
Функциональная модель определяет число необходимых различных
информационных точек, то есть число элементов структурной модели.
Экспериментальная модель определяется избранными критериями
планирования, к которым относя число варьируемых факторов, уровней
квантования каждого фактора и измерений выходных переменных.
2.2. Математические модели технологических процессов
28
2.2.1 Математическое моделирование
К математическому моделированию относятся модели, являющиеся
средством связи теории с объективной действительностью, средством для
проверки теории. Они способствуют установлению связи между логическим
и чувственным и должны подкрепить абстрактное мышление привычными
образами, которые, помогая воспринять и проанализировать явления, могут
явиться источником идей для новых исследований.
Исследователь может постулировать целый ряд гипотез о виде модели
и экспериментальным путём выбрать среди этих моделей ту, которая
наилучшим образом соответствует результатам экспериментов. Эксперименты здесь выступают в роли третейского судьи, принимающего одно из
многих возможных решений. Если среди постулированных гипотез не оказалось истинной, то и с помощью экспериментов её также не удастся найти.
Однако это ограничение экспериментального подхода ни в коем случае не
принадлежит роли эксперимента при решении практических задач.
К математическим моделям можно отнести алгоритмы и программы,
составленные для вычислительных машин. Эти программы отражают (моделируют) определённые процессы, описанные дифференциальными уравнениями, положенными в основу алгоритмов.
На практике в производственных или лабораторных условиях широко
встречаются процессы, характер которых детерминированным образом зависит от определённых величин
x1, x2,…, xn.
Переменные x1, x2,…,xn. называют входными контролируемыми или
независимыми переменными. Их возможные значения принадлежат области
x n – мерного пространства.
Выходную переменную y называют зависимой переменной, целевой
величиной или выходом процесса, даже если она не обозначает буквально
выход продукта.
В общем случае принимают, что между независимыми переменными и
выходом процесса существует функциональная связь
y = y(x),
(2.1)
где x = (x1, x2,…, xn.)т вектор значений независимых переменных.
Зависимость y = y(x) на практике часто бывает, неизвестна и тогда её
пытаются найти путём обработки экспериментальных данных.
Так как всякий эксперимент связан с появлением случайных ошибок,
то при построении математических моделей на основе экспериментальных
данных используют методы математической статистики.
Наиболее часто для решения этой задачи применяют метод наимень29
ших квадратов. Метод наименьших квадратов позволяет построить оптимальную в определённом смысле оценку моментов распределения ошибки
эксперимента, решить вопрос является ли полученная модель адекватной.
Метод наименьших квадратов имеет важное значение в теории планирования эксперимента и в задачах статистической обработки данных.
2.2.2 Метод наименьших квадратов.
2.2.2.1 Постановка задачи
Пусть на основе экспериментальных данных необходимо построить
модель некоторого процесса. Из физических соображений можно предположить, что взаимосвязь между y и xi линейна
y(a,x) = a0 + a1x1 + a2x2 +…+ anxn,
.
. (2.2)
где ai являются независимыми параметрами процесса, оценки которых требуется найти путём обработки экспериментальных данных.
В случае если характер связи описывается квадратичной функцией, то
n n
y(a,x) = a0 + a1x1 + a2x2 +…+ anxn + aij xixj.
i
j
Общее число членов (2.3) составляет k 1
(2.3)
(n 2)( n 1) n 2
.
2
2
Модели полиномиального вида имеют большое значение в связи с
тем, что с их помощью любая аналитическая функция (2.1) может быть описана как угодно точно. Однако, с увеличением степени полинома весьма
существенно увеличивается число оцениваемых параметров модели и соответственно значительно возрастают затраты на эксперимент. Так, если полином имеет степень m, то
n m
.
k 1
m
(2.4)
В дальнейшем мы будем использовать модели вида
y = y(a, x),
(2.5)
где a – вектор параметров модели,
a = (a0, a1,…,ak)т.
(2.6)
Примем, что модель (2.5) линейна относительно коэффициентов ai, т.е.
y(a,x) = a0f0(x) + a1f1(x) +…+ akfk(x).
(2.7)
При этом fi(x) – известные функции, являющиеся компонентами вектора
f(x) = (f0(x), f1(x),…, fk(x))т.
(2.8)
Используя векторные обозначения, вместо (2.7) можно записать
y = aтf(x) = fт(x)a.
(2.9)
30
Для моделей вида (2.2) или (2.3) будем иметь следующие выражения
для компонент f(x):
f(x) = (1, x1, x2,…,xn)т
(2.10)
и
f(x) = (1,x1,x2,…, xn,x1x1,x2x2,…,xnxn,x1x2,x1x3,…,x1xn,x2x3,…,xn-1xn)т
(2.11)
Для истинных значений a вектора коэффициентов a в (2.9) требуется
найти оценки a , используя для этой цели результаты эксперимента. При
этом оценка y для y рассчитывается по формуле
Т
(2.12)
y aТ f ( x) f ( x)a.
Эксперимент проводится в N точках
x1, x2, …, xN
c координатами
xi = ( x1i , xi2 ,..., xin )Т .
(2.13)
Результаты наблюдений ~yi в точках xi представляются с помощью вектора наблюдений
~
1 2
n Т
Y (~
(2.14)
y ,~
y ,..., ~
y ) .
В каждой точке xi может быть поставлено опытов, результатами которых будут
i1 i 2
i
~
y ,~
y ,..., ~
y .
В этом случае в качестве ~yi используется среднее значение наблюдений в точке xi:
~
yi 1 (~
yi1 ~
yi 2 ... ~
yi ).
(2.15)
Задача состоит в том, чтобы на основе результатов (2.14) найти
наилучшие в определённом смысле оценки a и y .
2.2.2.2 Решение задачи
Для решения задачи необходимо сначала выяснить, что следует понимать под наилучшими оценками. Будем исходить из того, что модель вида
(2.9) является адекватной. Вопросы оценки адекватности будут рассмотрены
позднее.
Сопоставим друг с другом экспериментальные результаты (2.14), отражающие действительность, и значения
1 2 N Т
Y ( y , y ,..., y ) ,
(2.16)
рассчитанные с помощью a и представляющие модель (2.12). Имеем
i
Т
(2.17)
y aТ f ( xi ) f ( xi)a
31
или соответственно
Y Fa,
(2.18)
где матрица F определяется следующим образом:
f 0 ( x1) f 1 ( x1) ... f k ( x1)
f 0 ( x 2) f 1 ( x 2) ... f k ( x 2)
i
.
F (f j ( x ))
N
N
N
f 0 ( x ) f 1 ( x ) ... f k ( x )
(2.19)
Результат наблюдений ~yi в некоторой точке зависит от случайной
ошибки ~ei :
i
i
~e i ~
y y.
(2.20)
Множество значений ошибок в N экспериментальных точках может
быть представлено вектором
~
~
e Y Y.
(2.21)
Черта сверху означает истинное значение соответствующей переменной.
Наложим на результаты наблюдений три условия, которые на практике выполняются:
1. Результаты эксперимента свободны от систематических ошибок,
или математическое ожидание величины ~yi равно действительному значению yi :
E Y Y ( y1 , y2 ,...., yN) Fa ,
~
(2.22)
то есть
E~
e 0.
(2.23)
2. Результат наблюдения в точке xj не зависит от результата в точке xi,
то есть
Е ~
yi yi ~
y j y j 0 для i j,
(2.24)
i
j
E~
e ~
e 0 для i j.
(2.25)
или
3. Дисперсия результатов наблюдений во всех точках xi одинакова, то
есть
D(~yi) 2 для всех i,
(2.26)
D(~
e i) 2 для всех i.
(2.27)
или
Условия 2 и 3 выполняются, если
32
E~
e ~
e т 2 I,
(2.28)
где I – единичная матрица.
Наложим ещё два условия на оценки a учитывая, что оценки a , полученные на основе обработки случайных результатов наблюдений, представляют собой некоторый случайный вектор.
1. Оценка a не должна содержать систематических ошибок (то есть,
оценка a должна быть несмещённой):
Ea a.
(2.29)
2. Дисперсия i2 оценки ai должна быть минимальной:
2
i2 D(ai) D(ai a i) E (a i a i ) min
(2.30)
для i = 0,1,2,…, k.
Эти два требования представляют собой только одну из многих возможных конкретизаций понятия "наилучшая оценка".
Условие (2.30) является наиболее приемлемым, так как оно приводит к
методу наименьших квадратов и при нормально распределённых результатах наблюдений в каждой точке xi позволяет провести статистический анализ полученных оценок, а также проверить адекватность модели.
Теоретическую основу метода наименьших квадратов составляют следующие утверждения:
Утверждение 1. Оценка a удовлетворяет условиям (2.29) и (2.30), если
сумма
N
~
~
~
S (~
yi yi )2 | Y Y |2 (Y Y )т (Y Y)
i 1
(2.31)
минимальна, то есть
S(a ) min S(a) .
a
(2.32)
Очевидно, что S в (2.31) является функцией a, причём в силу (2.18)
можно записать, что
~
~
S (Y Fa )т (Y Fa ),
то есть
Т ~
Т
S S (a) Y~ Y aТ F Т Fa 2 Y~ Fa.
(2.33)
Выражение (2.33) является расширенной квадратичной формой ai , которая в случае невырожденности матрицы FтF имеет единственный минимум при
~
a (Fт F )1 Fт Y.
(2.34)
Матрица FтF невырождена, то есть
33
Fт F 0,
если матрица F имеет ранг (k+1).
Утверждение 2. Если матрица F имеет ранг (k+1), то сумма квадратов
(2.31, 2.33) достигает минимума при
~
~
a (Fт F )1 Fт Y С Fт Y.
(2.35)
Матрица
C = (FтF)-1
(2.36)
в (2.35) размера (k+1)(k+1) называется дисперсионной матрицей.
2.2.2.3 Ошибки оценивания
Оценки ai , рассчитанные согласно (2.35), отличаются от истинных
значений коэффициентов, причём ошибка тем больше, чем больше дисперсия ошибок наблюдений. Показатели точности оценок ai и величины y являются дисперсии i2 и 2y соответственно. Эти дисперсии зависят не только
от дисперсии ошибок наблюдений 2, но и от выбранной структуры модели
и точек постановки опытов, т.е. от матрицы F (выражение (2.19). Для определения этой зависимости необходимо найти выражение для ковариационной матрицы cov a ;
cova E(ai ai)(a j a j) E (a a )(a a )т .
Из выражений (2.35), (2.29) и (2.23) следуют выражения
~
a C Fт Y,
~
a Ea C Fт E Y C Fт Y.
Используя эти выражения, получаем:
~
~
~
~
E (a a )(a a )т E C Fт (Y Y )( Y Y )т F Cт C Fт E (Y Y )( Y Y )т F Cт .
В силу (2.21), (2.22) и (2.28) имеем
~
~
cova C Fт E (Y Y )( Y Y )т F Cт C Fт F Cт 2 .
Так как матрица FтF симметрична, то
CFтFCт = (FтF)-1FтF(FтF)-1 = C,
И для cov a получаем
cov a = C2.
(2.37)
При этом для дисперсии i2 оценки ai имеем
i2 cij 2 ,
а для коэффициентов корреляции между оценками ai и a j
34
ij2
cij2
cii c jj
.
Дисперсию 2y для величины y получим с помощью следующих преобразований:
2
т
2
т
т
2y = E ( y y ) E ((a a ) f ( x ) ) E f ( x )(a a )(a a ) f ( x )
= f т ( x )E (a a )(a a )т f ( x ) f т ( x ) cov( a )f ( x ) f ( x )т C 2 f ( x ).
Утверждение 3
При предположениях раздела 2.2.2.2 и при известной дисперсии
ошибки наблюдений 2, дисперсия i2 оценки ai рассчитывается по формуле
i2 cij 2 .
(2.38)
Коэффициент корреляции между ai и a j определяется согласно выражения
ij2
cij2
cii c jj
,
(2.39)
а дисперсия 2y величины y по формуле
2y f т (x)Cf (x) 2 .
(2.40)
Ковариационная матрица a имеет вид
cov( aˆ ) C 2 .
(2.41)
При предположении о нормальности закона распределения результатов наблюдений в любой точке постановки эксперимента величина
X
ai a i
i
(2.42)
распределена нормально и имеет место соотношение
P( X ) Ф() Ф(),
(2.43)
где Ф() – функция Лапласа.
Если величина задана, то с помощью (2.43) можно рассчитать вероятность того, что |X| . Однако обычно задаётся вероятность P = P|X| и
из (2.43) находят соответствующую величину = (P). Функция Ф() табулирована и широко представлена в различных справочниках. Имеет место
следующее неравенство:
(2.44)
ai ai i cii.
Если известна дисперсия наблюдений 2, выражение (2.44) может
быть использовано при построении доверительного интервала для истинно35
го значения i – го коэффициента при заданной доверительной вероятности P.
В общем случае дисперсия ошибок наблюдений 2 не известна и
должна быть оценена с помощью полученных экспериментальных данных.
При этом может быть использована остаточная сумма квадратов S(a ) (смотри
(2.31)):
N
S(a ) SR (~yi yi )2 .
i 1
Эта сумма квадратов имеет
=N–k–1
(2.45)
степеней свободы (N слагаемых, между которыми существует k+1 линейная
связь, определяемая системой уравнений (2.35)). Величина
s2 = SR/
(2.46)
является несмещённой оценкой дисперсии ошибок наблюдений 2 при условии, что модель является адекватной. Оценка si2 для дисперсии i2 вычисляется аналогично (2.38) с помощью выражения
2
2
si =ciis .
(2.47)
Величина
t (aˆi ai ) / si
(2.48)
подчиняется t – распределению (распределению Стьюдента) с степенями
свободы. При этом справедливо соотношение
P{|t| } = S() - S(- ).
(2.49)
Если задана вероятность P = P{|t| }, то величину = (P) в (2.49)
можно найти с помощью таблиц t – распределений, имеющихся в различных
справочниках по математической статистике. С вероятностью P имеем
a i a i si ciis.
(2.50)
Выражение (2.50) определяет доверительный интервал для истинного
значения i – го коэффициента в случае, когда известна оценка s2 дисперсии
наблюдений.
Если в (2.50) ai ciis, то нуль – гипотеза H0 : a i 0 принимается, и коэффициент ai считается незначимым. При проверке значимости коэффициентов величину , соответствующую выбранному уровню значимости
= 1 – P и числу степени свободы , будем обозначать через tкр и называть
критическим значением распределения Стъюдента. Тогда
a i t кр ciis .
(2.51)
Заметим, что в общем случае оценка ai и её дисперсия зависит от оценок всех других коэффициентов.
36
Если тот или иной член исключается из уравнения (из-за незначимости соответствующего коэффициента), необходимо пересчитать оценки всех
остальных коэффициентов и их дисперсии. При этом могут измениться как
доверительные интервалы для коэффициентов, так и выводы относительно
коэффициентов значимости.
2.2.2.4 Проверка адекватности модели
Для проверки гипотезы об адекватности модели необходимо сопоставить достигнутую точность модели с величиной, характеризующую точность наблюдений. Если ошибки, характеризующие точность модели, превосходят ошибки наблюдений, то гипотеза об адекватности модели отклоняется. В этом случае уже нельзя оценивать ошибку наблюдений путём
нахождения разности между результатом наблюдений выходной переменной и результатом её расчёта по модели, так как, в случае неправильного
выбора вида модели, определяемая (по модели) величина y i уже не может
служить достаточно хорошей оценкой среднего значения наблюдений, поскольку
E yi yi .
Поэтому, дисперсия ошибок наблюдений может быть оценена лишь
путём сравнения результатов нескольких параллельных опытов, проведённых в каждой экспериментальной точке. Полагаем, что в каждой из N точек
xi реализуется экспериментов. Результаты этих экспериментов для каждой
точки xi представляется рядом
~
yi1 , ~
yi 2 ,..., ~
y i .
Для расчёта оценок коэффициентов мы будем использовать средние
значения ~yi ряда наблюдений для каждой точки xi, определяемые согласно
(2.15). Для проверки гипотезы адекватности модели необходимо сравнить
две суммы квадратов:
1) сумму квадратов, характеризующую неадекватность (дефект) модели
N
i i 2
SD (~y y ) SR .
i 1
(2.52)
Эта сумма зависит от разности между рассчитанными по модели и
наблюдаемыми значениями выходной переменной;
2) сумму квадратов, характеризующую ошибки наблюдений
N
ij
i 2
y ~
y).
Se (~
i 1 j1
(2.53)
Сумма SD состоит из N слагаемых, между которыми имеет место
(k+1)линейных связей, определяемых выражением (2.35). Поэтому с SD связано
1= N-(k+1)
(2.54)
степеней свободы.
37
Сумма Se состоит из N слагаемых, между которыми, согласно (2.15),
существует N линейных связей. При этом Se имеет
2 = N-N = N(-1)
(2.55)
степеней свободы.
Для оценки s2 дисперсии ошибок наблюдений выражение (7.46) не
может быть использовано. Оценка s2 определяется с помощью суммы квадратов Se по формуле
s2
Se
.
2
(7.56)
Заметим, что s2 в (7.56) является оценкой дисперсии величины ~y , которая представляет собой среднее по параллельным наблюдениям. Это
означает, что s2 в данном случае не является оценкой дисперсии ошибки
единичного наблюдения, а определяет величину дисперсии среднего, рассчитанного по наблюдениям. Легко видеть, что оценка дисперсии se2 ошибки единичного наблюдения равна s2. Далее всюду через s2 обозначается
оценка дисперсии ошибок наблюдения, причём результатом наблюдения
считается значение выходной переменной в точке плана, используемое при
расчётах по методу наименьших квадратов. Таким образом, если для каждой
точки плана проводится усреднение по параллельным опытам, дисперсия
ошибок наблюдений есть дисперсия среднего по параллельным опытам.
Проверка адекватности заключается в оценке частного от деления
оценки дисперсии неадекватности на оценку дисперсии ошибки единичного
наблюдения
F
SD / 1
.
Se / 2
(2.57)
Частное от деления F в случае, когда модель адекватна, является случайной величиной подчиняющейся F распределению (распределению Фишера) с числами степеней свободы 1 и 2. Можно определить значение Fкр,
соответствующее условию
P(F Fкр) = 1 – P = ,
(2.58)
где - заданный уровень значимости проверки гипотезы об адекватности
модели. Задавшись надёжностью P = P(F Fкр) (обычно P выбирают равной
0,95 или 0,99), значение Fкр можно найти с помощью таблиц распределения
Фишера. При выполнении условия
F Fкр
(2.59)
гипотеза об адекватности модели принимается. Если условие (2.59) не выполняется, то гипотеза об адекватности модели отклоняется.
38
Глава 3. ПЛАНИРОВАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА
3.1 Введение
В разделе 2.2 мы исходили из того, что целевая величина y (выходная
величина, зависимая переменная или отклик) следующим образом зависит
от вектора независимых переменных x = (x1, x2,…, xn.)т:
y(a, x) = aтf(x).
(3.1)
Для нахождения оценок a вектора неизвестных параметров a в определённых точках xi поставлен эксперимент и получен его результат ~yi .
Оценка a вектора коэффициентов рассчитывается с помощью метода
наименьших квадратов на основе выборки xi, i = 1,…, N путём решения системы нормальных уравнений
~
(Fт F)a Fт Y.
(3.2)
~
Матрицы F и Y определяются через (2.19) и (2.14) соответственно. Из
(3.2) следует
~
~
a (Fт F )1 Fт Y С Fт Y.
Если
~
yi E ~
yi ~e i yi ~e i a т f ( xi) ~e i ,
то
~
E Y Fa .
(3.3)
(3.4а)
(3.4б)
Здесь yi - истинное значение зависимой переменной в точке xi; ~ei случайная ошибка в точке xi. Ошибка ~ei считается независимой случайной
величиной с нулевым математическим ожиданием и дисперсией 2 (смотри
(2.23), (2.25), (2.27)). При этих условиях оценки a вектора параметров являются случайными величинами с ковариационной матрицей (2.37):
cov a =(FтF)-12 = C2.
(3.5)
Оценки являются несмещёнными:
Ea a
(3.6)
и, согласно (2.30), обладают минимальной дисперсией среди всех возможных несмещённых линейных оценок для заданной выборки xi, i = 1,…, N. В
этом смысле метод наименьших квадратов является оптимальным методом
обработки данных. Достигаемая точность оценок (как это следует из (3.5))
будет зависеть от выбора экспериментальных точек или от условий проведения эксперимента. В этом и заключается основная идея планирования
39
эксперимента: добиться требуемых свойств (например, максимальной точности), выбирая условия проведения эксперимента.
В общем случае активный подход к эксперименту в сочетании с методами планирования позволяет получить требуемые результаты, затрачивая
минимальные средства и время на проведение исследования.
3.2 Основные понятия планирования эксперимента
Определение 3.1. Множество всех точек проведения экспериментов
xi = (xi1, xi2,…, xin), i = 1, 2,…, N,
(3.7)
представляется с помощью матрицы плана
x11 x12 x1n
2
x
x 22 x 2n
X xij 1
N
N
N
x1 x 2 x n
(3.8)
и называется планом эксперимента (план эксперимента, заданный с помощью матрицы плана X, будет в дальнейшем обозначаться через X).
Определение 3.2. Точка
N
1
x 0 N xi
i 1
(3.9)
называется центром плана (центральной точкой плана). Каждая координата
0
x i0 вектора x является средним значением i – х координат всех точек плана
x1i xi2 ... xiN .
0
xi
N
(3.10)
Определение 3.3
План называется центральным, если его центр расположен в начале
координат x=0, т.е.
x0 = 0
(3.11)
Очевидно, что оптимальное планирование связано с разработкой планов, представляемых в некоторой стандартной форме. При этом целесообразно рассматривать центральные планы. Всякий план путём переноса начала координат может быть сделан центральным.
Утверждение 3.1
Всякий план Z с точками zi путём замены
x = z – z0
(3.12)
при
40
N
1
z 0 N zi
i 1
может быть преобразован в центральный план X с точками xi.
Определение 3.4
Область возможных значений независимых переменных называется
областью планирования эксперимента. Будем обозначать эту область x.
Это требование мы будем записывать следующим образом:
x i x
(3.13)
или
X x
(3.14)
Независимые переменные x часто называют варьируемыми переменными или факторами. Область планирования эксперимента может быть задана, например, с помощью неравенств
-1 xi 1, i = 1, 2,…, n.
(3.15)
В этом случае говорят, что областью планирования является гиперкуб.
В (3.15) предельные (максимальное и минимальное) значения варьируемых переменных обозначены через +1 и –1 соответственно. Эти границы
отвечают стандартизированному или нормированному масштабу изменения
переменных. Переход к нормированному масштабу может быть осуществлён следующим образом:
xi
xiмакс xiмин
2
.
xiмакс xiмин
2
xi
(3.16)
В выражении (3.16) x i - значение i – ой переменной в натуральном
масштабе измерения.
Ряд необходимых нам в дальнейшем свойств плана X связан с видом
модели (3.1), для оценки коэффициентов которой план используется.
Определение 3.5
Матрица FтF размера (k+1)(k+1) называется информационной матрицей плана X. Здесь
f 0 ( x1) ... f k ( x1)
F
.
N
N
f 0 ( x ) ... f k ( x )
(3.17)
Ясно, что информационная матрица плана X зависит от выбора функций f0(x),…, fk(x).
Определение 3.6
41
План X называется ортогональным, если информационная матрица
диагональная:
N 2 j
f 0 (x )
j1
0
M Fт F
0
N
2
j
0
f 1 (x )
j1
.
N
0
f 2k ( x j)
j1
0
0
(3.18)
Матрица M есть матрица системы нормальных уравнений (3.3), из решения которой находятся оценки коэффициентов модели. Поэтому для ортогонального плана вычисления оказываются чрезвычайно простыми.
Определение 3.7
План X называется рототабельным, если дисперсия оценки зависимой
переменной y ( x ) в точке x зависит только от расстояния точки x от центра
плана x0. В соответствии с (2.40) дисперсия 2y оценки зависимой переменной выражается в виде
1
2y f т ( x )(Fт F ) f ( x ) 2 ,
(3.19)
где (FтF)-1- дисперсионная матрица плана. Обозначим расстояние точки x от
центра плана x0 через r:
r (x x0 )т (x x0) (x1 x10 )2 ... (xn x0n )2 .
(3.20)
Тогда условие рототабельности плана имеет вид
fт(x)(FтF)-1f(x) = const
(3.21)
при r ( x x 0 )Т ( x x 0) const .
Рототабельные планы обеспечивают одно и то же значение дисперсии
оценки целевой величины во всех точках, равноудалённых от центра плана.
Определение 3.8
Зависимость (r) = 1/ Nfт(x)Cf(x) называется информационным профилем рототабельного плана. Информационный профиль плана показывает
характер изменения дисперсии оценки зависимой переменной при удалении
от центра плана.
Определение 3.9 План X называется ненасыщенным, если N k+1, и
насыщенным, если N = k+1. Здесь N – число точек спектра плана, а (k+1) –
число оцениваемых коэффициентов. Спектром плана называется совокупность всех точек плана, отличающихся уровнем хотя бы одного фактора.
42
3.3 Общие требования к плану эксперимента. О критериях
планирования эксперимента
На практике часто оказывается возможным свободно выбирать условия проведения опытов в пределах некоторых границ. Выбор числа и условий проведения экспериментов, обеспечивающих получение наилучшего в
определённом смысле результата исследования, и составляет цель планирования эксперимента. Разработан ряд критериев оптимальности планов эксперимента, важнейшие из которых будут рассмотрены далее. Следует отметить, что оптимальный выбор плана эксперимента существенным образом
зависит от конкретных особенностей исследуемого объекта, таких, как вид
его модели, стоимость отдельных опытов, области варьирования независимых переменных и т.д.
Одной из важнейших характеристик плана, влияющей, с одной стороны, на стоимость и длительность исследования, а с другой, на точность результатов, является число экспериментов. Заметим, что план с минимально
возможным числом экспериментов N = k+1 (насыщенный план) не позволяет проверить адекватность модели. Поэтому обычно выбирают N k+1, где
k+1 – число оцениваемых параметров модели.
Задача определения числа наблюдений N с учётом стоимости экспериментов и потерь от неточности определения коэффициентов модели будет
рассмотрена ниже.
Важное значение для оценки качества плана эксперимента имеет вид
информационной матрицы плана M = FтF. Матрица М должна быть невырожденной (M0). Только в этом случае система линейных уравнений, к которой приводит критерий наименьших квадратов, имеет единственное решение.
Перечислим пять основных критериев планирования эксперимента,
используемые в практических исследованиях.
1. Критерий ортогональности плана. Критерий ортогональности
требует такого выбора плана X для оценки коэффициентов модели заданного вида, при котором информационная матрица плана диагональна.
Использование критерия ортогональности имеет целью упрощение
вычислений и получение независимых оценок коэффициентов. Как легко
видеть, при ортогональном планировании матрица (FтF)-1 является диагональной и, следовательно, ковариации оценок коэффициентов равны нулю.
Это значит, что замена нулём любого коэффициента в уравнении модели не
изменит значений оценок остальных коэффициентов. Такое свойство ортогональности планов оказывается очень полезным, когда точный вид модели
43
неизвестен и исследователь использует экспериментальные данные для отбора переменных, существенно влияющих на выходную величину.
2. Критерий рототабельности. Критерий рототабельности требует
такого расположения экспериментальных точек в области планирования x,
при котором дисперсия 2y оценки значений зависимой переменной в точке
x зависит только от расстояния от этой точки до центра плана. Этот критерий хорошо согласуется с требованием равнозначности (с точки зрения точности оценки зависимой переменной) всех направлений от центра плана.
Названные выше критерии обеспечивают некоторые полезные и удобные свойства оценок коэффициентов. Однако они никак не связаны с требованием максимальной точности построения модели.
3. Критерий А-оптимальности. Критерий А–оптимальности требует такого выбора плана X, при котором матрица C = (FтF)-1 имеет минимальный след (т.е. сумма диагональных элементов матрицы С минимальна).
Так как в соответствии с (2.36) диагональный элемент cii матрицы С пропорционален дисперсии оценки i – го коэффициента, то критерий Аоптимальности по существу требует минимизации средней дисперсии оценок коэффициентов модели.
4. Критерий D-оптимальности. Критерий D-оптимальности требует
такого расположения точек в области x, при котором определитель матрицы C = (FтF)-1 минимален (или определитель матрицы M = FтF максимален).
D-оптимальный план минимизирует объём эллипсоида рассеяния оценок коэффициентов. Ниже мы рассмотрим этот критерий подробнее.
5. Критерий G-оптимальности. Критерий G-оптимальности требует
такого расположения точек в области x, при котором достигается
наименьшая величина максимальной дисперсии оценки зависимой переменной в области x. В отличие от критериев. А - и D-оптимальности, связанных с точностью нахождения коэффициентов, критерий G-оптимальности
требует максимальной точности оценки зависимой переменной.
В литературе рассматриваются и другие критерии планирования, связанные с точностью построения модели. Достижение возможно большей
точности модели связано с лучшим использованием области планирования
при проведении эксперимента. Поэтому при использовании критериев 3, 4, 5
вид области планирования является очень важным условием задачи и произвольное изменение её конфигурации приводит к существенному изменению
оптимального плана.
Все перечисленные критерии связаны с предположением, что вид модели известен. Однако на практике часто возникает ситуация, когда исследователь не знает истинного вида модели. В таком случае эксперимент
обычно сначала планируется исходя из простейшего предположения о линейности модели относительно варьируемых переменных. После проведения опытов проверяется адекватность линейной модели. Если линейная модель не адекватна, делается попытка построить квадратичную модель. При
44
этом нужно планировать и эксперимент для квадратичной модели. Оптимальный план для квадратичной модели целесообразно строить таким образом, чтобы он включал точки оптимального плана для линейной модели. Такое построение плана приводит к сокращению числа опытов. Планы для
квадратичных моделей, построенные путём добавления точек к плану для
линейной модели, называются композиционными планами второго порядка.
На практике иногда возникают ситуации, когда для построения модели выбирают полином более низкой степени, чем этого требует действительная зависимость. Причиной этого может быть необходимость в слишком большом числе экспериментов для построения оценок действительной
модели. Кроме того, иногда исследователя могут интересовать не все, а
лишь часть коэффициентов. В этих случаях эксперимент целесообразно
планировать так, чтобы сделать минимальным смещение в оценках коэффициентов, связанное с неадекватным выбором модели. Можно также потребовать минимизации среднего по области х квадрата отклонения рассчитанных по модели значений от истинных значений зависимой переменной.
Эти требования могут использоваться как критерии выбора плана эксперимента. Возможны и другие критерии планирования эксперимента.
На практике часто полезно стремиться к тому, чтобы один и тот же
план удовлетворял одновременно ряду критериев, например, был бы Dоптимальным и ортогональным и т.д. В общем случае такого сочетания
свойств не наблюдается, однако иногда в одном плане сочетается ряд полезных свойств.
Утверждение 3.2
Ортогональный план для линейной модели (2.2) одновременно является и рототабельным, если (FтF)-1= C = gI, где g – константа, I – единичная
матрица.
Согласно (3.19), дисперсия оценки зависимой переменной в точке х
для таких планов равна
n
1
2y ( x ) f т ( x )( Fт F ) f ( x ) 2 g 2 (1 xi2).
i 1
Если центр плана находится в точке х0 = 0, то величина 2y ( x ) зависит
только от расстояния точки х до центра плана.
Выбор критерия оптимальности плана осуществляется исходя из конкретного содержания решаемой задачи. Часто бывает нецелесообразно отказываться от таких полезных свойств планов, как ортогональность и рототабельность. Потеря ортогональности приводит к существенным усложнениям
вычислений, в то время как повышение точности за счёт перехода к не ортогональному плану может оказаться незначительным. Если истинный вид
модели бывает неизвестен исследователю, то при планировании эксперимента более существенным может оказаться возможность проверки адекватности модели, чем строго оптимальный, с точки зрения точности построения
45
модели предполагаемого вида, выбор экспериментальных точек. Естественно, что встречаются задачи, где вид модели известен, а интерес представляет
получение наивысшей точности оценок параметров модели. Всегда полезен
анализ используемых планов с точки зрения различных критериев.
3.4 Планы для моделей, описываемых полиномами первого
порядка
3.4.1 Вид модели
Рассмотрим планы, предназначенные для построения линейных моделей процессов вида
y(x,a) = a0 +a1x1 + …+ anxn.
(3.22)
Обозначив через F матрицу
F = ( l , X),
(3.23)
l = (1, 1,…, 1)т,
(3.24)
где
получим для информационной матрицы плана выражение
N
M F Т F mij Т
X l
l X .
Т
X X
Т
(3.25)
3.4.2 Полные факторные планы
Ограничимся рассмотрением планов, в которых каждый фактор хi
принимает значения только на двух уровнях. Сделав преобразования (3.16),
можно считать, что эти значения суть +1 и –1 (в дальнейшем будут использованы обозначения этих величин соответственно знаком "+" или "-").
Определение 8.10
Множество всех точек в n-мерном пространстве, координаты которых
являются +1 (+) или –1 (-), называются полным факторным планом типа 2n.
Число точек в этом плане
N = 2n .
(3.26)
Утверждение 3.3
Матрица планирования Xn+1 факторного плана 2n+1 может быть получена с помощью матрицы Xn по формуле
Xn
l
,
X n l
X n 1
(3.27)
где l определяется выражением (3.24). Например
46
, X3 .
X1 , X 2
Точки этих планов показаны на рис. 3.1
Х2
-1
а
+1
11
11
Х1
Х1
Х2
б
Х1
Х3
в
Рис. 3.1 Полные факторные планы для n=1(а), n=2(б), n=3(в).
3.4.3 Дробные факторные планы
Число опытов N = 2n полных факторных планов быстро растёт с увеличением размерности факторного пространства n, так что при больших n
эти планы оказываются практически неприемлемыми. При этом из множества точек факторных планов 2n может быть отобрана некоторая часть,
представляющая дробный факторный план и содержащая подходящее число
опытов.
3.4.3 Дробные факторные планы
Для построения дробного факторного плана типа 2n-p из множества n
отбирают n-p основных факторов, для которых строят полный факторный
план с матрицей Xn-p. Этот план дополняют p столбцами, соответствующими
оставшимся факторам. Каждый из этих p столбцов получается как результат
47
поэлементного перемножения не менее двух и не более n-p определённых
столбцов, соответствующих основным факторам. Для определения способа
образования каждого из p столбцов дробного факторного плана вводится
понятие генератора плана.
Генератор плана представляет собой произведение основных факторов, определяющее значение элементов каждого из дополнительных р
столбцов матрицы плана.
Построение дробного факторного плана для n=3. Исходим из факторного плана 22 для основных факторов x1 и x2 и дополняем этот план
столбцом значений третьего фактора, элементы которого являются произведением соответствующих элементов первого и второго столбцов (здесь это
единственная возможность определения столбца для фактора x3):
x1 x2 x3 = x1x2
------------------ +
-
+ +
+
- -
+
+ -
-
Выражение x1x2 = x3 является генератором плана. Преимущество этого
плана является меньшее число опытов (23-1 = 4) по сравнению с числом опытов полного факторного плана (23 = 8). Полученный дробный факторный
план является полурепликой факторного плана 23.
Построение дробного факторного плана для n = 4. Исходим из полного факторного плана 23 для факторов x1, x2, x3 и дополняем его столбцами,
образованными поэлементными произведениями столбцов плана 23. Эти
произведения могут являться генераторами для дробных факторных планов.
Используя один из четырёх возможных генераторов, можно построить четыре различных дробных факторных плана типа 24 –1:
x1 x 2
x1 x 3
.
x4
x 2 x3
x1 x 2 x 3
По сравнению с 24 = 16 опытами полного факторного плана, полученный дробный факторный план состоит из 24 –1 = 8 опытов.
При n=5 для построения дробного факторного плана типа 25 – 2 имеется
возможность выбрать два любых из четырёх возможных генераторов для
образования столбцов факторов x4, x5. Очевидно, что возможно построение
шести различных вариантов плана типа 25 – 2:
48
x1 x 2
x1 x 2
x1 x 2
,
x4
x1 x3
x1 x3
x 2 x3
x1 x 3
x 2 x3
x1 x 2 x 3
.
x5
x 2 x3
x1 x 2 x 3
x1 x 2 x 3
Ещё шесть дробных факторных планов можно получить, если поменять местами столбцы для факторов x4 и x5.
Для пяти факторов дробный факторный план типа 25 – 2 содержит восемь опытов по сравнению с 25 = 32 опытами полного факторного плана.
Можно построить дробные факторные планы для n от 5 до 15. Исходим из факторного плана 24 и дополняем его всевозможными поэлементными произведениями столбцов плана 24: x1x2, x1x3, x1x4, x2x3, x2x4, x3x4, x1x2x3,
x1x2x4, x1x3x4, x2x3x4, x1x2x3x4. Выбирая необходимое число генераторов для
оставшихся факторов, строим дробные факторные планы типа 2 5 – 1, 26 – 2 ,
27 – 3, 28 – 4,…, 215 – 11, каждый из которых содержит 16 опытов. Отметим, что
полный факторный план 215 требует постановки 32 768 экспериментов. Преимущества дробных факторных планов с точки зрения числа экспериментов
очевидны.
3.4.4 Формулы для вычислений и свойства полных и дробных
факторных плановдля линейных моделей
Матрица F для плана типа 2n-p и линейной модели вида (8.22) содержит n+1 столбцов и n = 2n-p строк. Например, для плана 23-1, в соответствии с
(3.23), имеем
1 1 1 1
1 1 1 1
.
F
1 1 1 1
1 1 1 1
(3.28)
Первый столбец соответствует фиктивной переменной x0 при свободном члене уравнения модели, которая во всех опытах принимает значение
равное единице. Легко убедиться в том, что информационная матрица плана
2n-p для модели (3.22) имеет вид
M = FтF = 2n-pIn+1 = NIn+1,
(3.29)
где In+1- единичная матрица размера n+1.
Для дисперсионной матрицы получаем
С M1
1
In 1.
N
(3.30)
Используя (3.30), получаем простые формулы для оценок коэффициентов
49
1 N y j j , i 0,1, ..., n .
ai ~
xi
N j1
(3.31)
Для дисперсий оценок коэффициентов si2 получаем
si
2
2
s .
N
(3.32)
Здесь s2 – оценка дисперсии ~y (дисперсии ошибки наблюдений). Из
(3.32) следует, что оценки всех коэффициентов имеют одну и туже дисперсию. Вид выражений (3.29) и (3.30) определяет ортогональность плана 2n-p
для модели (3.22). Легко убедиться, что для линейной модели план 2 n-p является также и рототабельным. Необходимо отметить, что полные и дробные
факторные планы для линейной модели вида (3.22), в случае, когда область
планирования – гиперкуб с координатами вершин 1, являются также D-,Aи G-оптимальными планами. Это означает, что для данного частного вида
области планирования и числа опытов N = 2n-p рассмотренные планы обеспечивают максимально возможную точность оценок коэффициентов и всей
модели в целом.
Перечисленные свойства факторных планов объясняют, почему эти
планы находят широкое применение при построении линейных моделей.
3.5 Планы для моделей, содержащих линейные члены и взаимодействия различного порядка
3.5.1 Вид модели
При построении модели часто недостаточно принимать во внимание
только линейные эффекты факторов, ибо влияние на целевую величину могут оказывать также взаимодействия факторов. В этом случае необходимо
вводить взаимодействия различных порядков. Модель принимает вид
n
n
n
n
n
n
y(a, x) a0 ai xi aik xi xk
i 1
i 1 k i 1
aikl xi xk xl ... a12... n x1 x2 ... xn .
(3.33)
i 1 k i 1 lk 1
Коэффициент аik является мерой парного взаимодействия факторов
(взаимодействия первого порядка), коэффициент аikl отражает воздействие
тройного взаимодействия (взаимодействия второго порядка) и т.д. Количество возможных взаимодействий для числа факторов от 2 до 10 приведено в
таблице 3.1.
Таблица 3.1
n
2
N=2
4
n
Порядок взаимодействия
Число линейных эффектов
1
2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
50
3
8
3
3
1
4
16
4
6
4
1
5
32
5
10
10
5
1
6
64
6
15
20
15
6
1
7
128
7
21
35
35
21
7
1
8
256
8
28
56
70
56
28
8
1
9
512
9
36
84
126
126
84
36
92
1
10
1024
10
45
120
210
252
210
120
45
10
1
3.5.2 Полные факторные планы для моделей типа (3.33)
Для получения оценок коэффициентов модели (3.33) в принципе можно использовать полные факторные планы. Однако c ростом числа факторов
быстро увеличивается число необходимых опытов N и число степеней свободы для проверки адекватности модели. Так, например, для случая, когда
имеются взаимодействия только первого порядка, при n = 2 отсутствуют
степени свободы, а при n = 6 имеется уже 42 степени свободы.
Как правило, модель включает не все, а лишь некоторые взаимодействия первого порядка, иногда взаимодействия второго порядка и почти
никогда не содержит взаимодействий выше третьего порядка. Так как
наша цель состоит в том, чтобы, пользуясь по возможности малым числом
опытов, извлечь необходимую информацию об исследуемом объекте, оказывается целесообразным для построения модели типа (3.33) применять
дробные факторные планы.
3.5.3 Дробные факторные планы для модели типа (3.33) и порядок
смешивания оценок коэффициентов
Дробные факторные планы типа 2n-p для моделей, содержащих линейные
члены и взаимодействия, строятся так же, как и для линейных моделей, то
есть матрицу полного факторного плана для (n-p) основных факторов дополняют столбцами, элементы которых представляют собой произведения
элементов определённых столбцов основных факторов. Обычно предполагается, что только некоторые парные взаимодействия и взаимодействия высших порядков являются значимыми. При этом значимые взаимодействия
рассматриваются как самостоятельные факторы, а незначимые приравниваются к факторам, не вошедшим в число основных. При использовании
дробных факторных планов для моделей с взаимодействиями можно вклю-
51
чать в рассмотрение лишь столько дополнительных факторов, сколько существует незначимых взаимодействий.
При наличии в модели взаимодействий, оценки ai коэффициентов при
линейных членах остаются независимыми друг от друга, однако они могут
быть смешаны с взаимодействиями высших порядков. Часть оценок aik коэффициентов при парных взаимодействиях также оказываются смешанными
друг с другом.
Рассмотрим матрицу F для модели (3.33), содержащей все возможные
взаимодействия, в случае, когда используется дробный факторный план 2n-p.
Очевидно, что некоторые столбцы матрицы F окажутся одинаковыми. Так,
например, столбцы для фактора x4 плана 24 –1 и взаимодействия x1x2x3 одинаковы, если в качестве генератора плана выбрано соотношение x4 = x1x2x3.
Это означает, что план не позволяет получить раздельные оценки для коэффициентов a 4 и a123 модели. С помощью данного плана можно получить
лишь оценку а , которая характеризует суммарное воздействие фактора x4 и
взаимодействия х1х2х3. Оценки подобного рода называют смешанными. Заметим, что если а123 0 , то величина а является несмещённой оценкой коэффициента a 4 .
Для получения правила смешивания, с помощью которого можно было бы определить, совокупность каких линейных эффектов и эффектов взаимодействия оценивается всяким найденным на основе данного плана коэффициентов, вводится понятие контраста плана. Под контрастом понимается соотношение между элементами матрицы F, задающие элемент первого
столбца матрицы F. Элементы первого столбца, всегда равные единице, обозначим символически через I. Для дробного факторного плана 23 –1, имеем
следующий контраст (предполагается, что х.ixia = 1, а для плана 23 –1 генератор х3 = х1х2, поэтому х1х2х3 = 1):
I = х1х2х3.
Для дробного факторного плана 24-1 (если генератор х; = х1х2х3) контраст выражается соотношением
I = x1x2x3x4.
Чтобы определить, с какими факторами смешана оценка некоторого
данного фактора, умножим обе части контраста на этот фактор, считая, что
xi2 1 . При этом мы получим порядок смешивания оценок коэффициентов
при использовании данного плана. Для дробного факторного плана 23–1 с
контрастом I = x1x2x3 получаем следующий порядок смешивания для факторов х1, х2, х3:
x 1 x 12 x 2 x 3 x 2 x 3 ,
x 2 x 1 x 22 x 3 x 1 x 3 ,
x 3 x 1 x 2 x 32 x 1 x 2 .
Для оценок имеем соответственно:
aˆ1 a1 a23 , aˆ2 a2 a13 , aˆ3 a3 a12 .
52
Для дробного факторного плана 24 –1 с контрастом I = x1x2x3x4 получаем аналогично:
aˆ1 a1 a234 , aˆ2 a2 a134 , aˆ3 a3 a124 , aˆ4 a4 a123 ,
aˆ12 a12 a34 , aˆ13 a13 a24 , aˆ14 a14 a23 .
В зависимости от выбора генераторов получаются дробные факторные
планы, обладающие различной разрешающей способностью. В соответствии
с порядком контраста (числом элементов в контрасте) говорят о планах с
разрешающей способностью III, если контраст состоит из трёх элементов, и
IV, если контраст состоит из четырёх элементов. Если для дробного факторного плана 24 –1 в качестве генератора выбрано соотношение х1х2х3 и контраст соответственно представляется выражением I = x1x2x3x4 , то этот план
имеет разрешающую способность IV и обозначается через 24IV1 . Если,
например, в качестве генератора выбрано соотношение х1х2, то план имеет
контраст I = x1x2x4. Его разрешающая способность III и обозначается 24III1 .
Дробные факторные планы с наибольшей разрешающей способностью
называют главными. Этим планам следует отдавать предпочтение при использовании.
Если имеется несколько незначимых взаимодействий, можно ввести в
план несколько дополнительных факторов. При этом число различных генераторов и контрастов, определённых так же, как и выше, будет таким же, как
число дополнительных факторов. Чтобы определить порядок смешивания
для этого случая, вводится обобщающий контраст, который строится из отдельных контрастов, а также произведений контрастов во всех возможных
сочетаниях по 2, 3, … , p. При этом все произведения контрастов, так же как
и сами контрасты, задают элементы первого столбца матрицы F.
Для дробного факторного плана 25–2, например, в качестве генераторов
выбраны соотношения х4 = х1х3 и х5 = х1х2х3. Контрасты плана I = x1x3x4 и I =
x1x2x3x5.
Для получения обобщающего контраста перемножим вышеуказанные
контрасты и получим ещё один контраст I = x2x4x5. Обобщающий контраст
при этом будет
I = x1x3x4 = x2x4x5 = x1x2x3x5.
Умножая все составляющие обобщающего контраста на факторы,
находим совпадающие столбцы матрицы F:
х1 = х3х4 = х1х2х4х5 = х2х3х5,
х2 = х1х2х3х4 = х4х5 = х1х3х5,
х3 = х1х4 = х2х3х4х5 = х1х2х5,
х4 = х1х3 = х2х5 = х1х2х3х4х5,
х5 = х1х3х4х5 = х2х4 = х1х2х3,
53
х1х2 = х2х3х4 = х1х4х5 = х2х3,
х2х3 = х1х2х4 = х3х4х5 = х1х2.
Далее легко получить порядок смешивания оценок. Например, для a1
имеем
a1 a1 a 34 a1245 a 235
Все, выше приведённые процедуры предназначены для того, чтобы
при дробном факторном плане 2n –p получить информацию для выбора генераторов плана таких, при которых отсутствует смешивание оценок коэффициентов.
Если в модель входят функции вида xi2 (i = 1, 2,…, n), то столбцы матрицы F, соответствующие этим функциям, будут состоять из единиц. Эти
столбцы совпадают со столбцом для х0 (т.е. для свободного члена уравнения). А это означает, что а 0 является смешанной оценкой для свободного
члена a 0 и всех коэффициентов a ii (i = 1, 2,…, n):
aˆ0 a0 a11 a22 ... ann
Пользуясь этим свойством, можно получить правило для проверки
значимости квадратичных эффектов. Для этого проведём в центре плана n0
опытов и найдём значение ~y 0 :
~y0 1 n0 ~y0 j.
n0 j1
Если квадратичные эффекты отсутствуют, т.е. a11 a 22 ... a nn 0 , то
Е~
y0 a 0 0.
Отсюда следует, что, в случае, когда гипотеза H : Ea 0 E~y0 отвергается, в модель необходимо включать функции вида x i2 .
Пусть дробный (или полный) факторный план содержит N = 2n –p точек, причём в каждой точке реализовано экспериментов. На основе параллельных опытов в каждой точке найдена оценка s2 дисперсии ошибок
наблюдений с числом степеней свободы e (см. (2.54), (2.55)). Для проверки
гипотезы можно воспользоваться величиной
t
~y0 a
0
,
n
0 N
s
n0 N
которая при условии нормальности распределения и независимости ошибок
наблюдений подчинена закону распределения Стъюдента (t – распределению) с числом степеней свободы e. Гипотеза H : Ea 0 E~y0 отклоняется,
если
54
~y0 a t s n 0 N ,
0
кр
n0 N
(3.34)
где tкр – критическое значение распределение Стъюдента при выбранном
уровне значимости и числе степеней свободы e (оценка se2 дисперсии результатов единичного эксперимента связана с оценкой s2 дисперсии ошибок
наблюдений соотношением se2 s2 ). Если гипотеза отвергается, в модель
следует ввести квадраты факторов.
3.5.4 Вычислительные формулы и свойства планов 2n–p
Легко убедиться в том, что информационная матрица планов 2n–p, в
случае, когда оценки всех коэффициентов не смешаны (т.е. матрица F не
имеет совпадающих столбцов), имеет следующий вид:
M = FтF = 2n –p Ik+1 = N Ik+1.
(3.35)
Для C получаем
С
1
Ik1.
N
(3.36)
Планы типа 2n–p являются, таким образом, ортогональными для моделей вида (3.33). Для вычисления оценок коэффициентов получаем формулы:
j
1 N j~
xi y , i 0,1,..., n ,
ai
N j 1
j
1 N j ... j ~
xi x y i, 1, 2,..., n, i ,
a i...
N j 1
2
2s ,
si
N
i 0, 1,..., k .
(3.37)
(3.38)
(3.39)
Здесь (k+1) – общее число коэффициентов модели (3.33). Из (3.39)
следует, что все коэффициенты оцениваются с одинаковой точностью. Отметим, что планы типа 2n и 2n–p для моделей, содержащих взаимодействия,
не являются рототабельными.
Как и, в случае линейных моделей, планы 2n–p для моделей вида (3.33)
являются A-, D- и G-оптимальными, если областью планирования эксперимента является гиперкуб с координатами вершин принимающими значения
1. Эти свойства имеют место только в тех случаях, когда возможно получение несмешанных оценок всех коэффициентов модели.
55
Глава 4. ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ЭС
4.1 Конструктивно-технологическая классификация деталей ЭС
По функциональному признаку все элементы ЭС можно условно отнести к одной из групп: группе схемотехнических элементов – схемотехническая (элементная) база ЭВС и группе элементов, составляющих конструктивную базу ЭС.
Схемотехнические элементы их компоновка и взаимосвязь в составе
ЭС обеспечивают преобразование сигналов различной физической природы.
Конструктивные элементы, входящие в состав ЭС, обеспечивают: механическую прочность, защиту от внешних воздействий, дестабилизирующих работу ЭС (влаги, инея, росы, пониженного или повышенного давления, внешних электрических или магнитных полей) и механическое управление ЭС.
Основу конструктивной базы составляют отдельные монтажные детали и несущие конструкции. Несущие конструкции предназначены для механического закрепления, защиты от внешних воздействий и обеспечении доступности схемотехнических элементов при сборке и эксплуатации ЭС.
К конструктивной базе относят механические устройства управления в
виде кнопочных и рычажных устройств и ручек, механизмы для механического перемещения подвижных рабочих элементов ЭС, таких как отсчётные
устройства, носители информации, электромашинные элементы, электродвигатели и т.д.
По условиям эксплуатации выделяют три класса аппаратуры ЭС, для
которых разработана и используется единая конструктивная база в виде
комплекса универсальных типовых конструкций (УТК).
УТК-I – для стационарных ЭС, предназначенных для работы в отапливаемых и не отапливаемых стационарных помещениях.
УТК-II – для стационарных, полустационарных и подвижных ЭС, работающих на открытом воздухе, в палатках, во временных помещениях и
укрытиях, а также на колёсном и гусеничном транспорте.
УТК-III – для ЭС преимущественно на интегральных схемах и микросборках, устанавливаемых на подвижных объектах в труднодоступных местах и работающих в жёстких условиях эксплуатации.
Электронная аппаратура на базе УТК включает в себя модули четырёх
или пяти конструктивных уровней (КУ).
КУ-0. Нулевой уровень: бескорпусные микроэлементы, используемые
в ИМС, резисторы, транзисторы, конденсаторы, диодные матрицы; бескорпусные ИМС частного и общего применения, фрагменты схем, выполненные по полупроводниковой технологии. Перечисленные элементы используются преимущественно на базе УТК-III и входят как составные части в
модули старшего уровня.
56
КУ-1 – для ЭС на базе УТК-I и УТК-II – корпусные ИС широкого
применения, бескорпусные гибридные ИС (или микроблоки), транзисторы и
диоды в корпусах, конденсаторы и резисторы в дискретном исполнении.
КУ-2 – для РЭА на базе УТК-I и УТК-II – ячейки, выполненные в виде
унифицированных печатных плат обычной или многослойной конструкции
с установленными на них схемотехническими элементами (ИМС и др.), элементами контактирования, фиксации и крепления. Обычно КУ-2 называют
типовым элементом замены (ТЭЗ).
КУ-3 – блоки и панели, состоящие из несущих конструкций, на которых монтируют по нескольку единиц или десятков ТЭЗ. В состав блоков,
кроме ТЭЗ, могут входить устройства питания, индикаторные и сигнализационные элементы, механические и электромеханические устройства управления, элементы для внутриблочного и межблочного электрического соединения и т.д.
Блоки на базе УТК-III после сборки, настройки и регулировки подвергаются вакуумной герметизации и заполняются инертным газом. Блоки на
базе УТК-I и УТК-II герметизации не подлежат. Этим обуславливается резкое отличие внешнего вида и состава конструктивных элементов блоков ЭС
на базе УТК-III и УТК-I, УТК-II.
КУ-4 для ЭС на базе УТК-I и УТК-II реализуются в виде стоек, шкафов, пультов управления или приборных корпусов. Для ЭС на базе УТК-III
КУ-4 реализуется в виде агрегатированных децентрализированных, централизованных полиблочных и моноблочных систем.
Конструктивные единицы КУ-4 на базе УТК-II отличаются от конструктивных единиц на базе УТК-I тем, что размеры каркасов стоек ограничиваются размерами стандартных люков и проемов, через которые транспортируются стойки. В их состав входят дополнительные амортизирующие
и уплотняющие устройства, воздуховоды с каналами входа и выхода и другие специальные конструктивные элементы, отсутствующие в КУ-4 на базе
УТК-I.
Требования к конструкции конкретной детали ЭС, к её размерам, механическим, электрофизическим и другим свойствам обусловлены её назначения, особенностями работы и эксплуатации. Эти требования, в том числе
марка исходных материалов, фиксируются на рабочем чертеже детали и являются исходными данными для деятельности технологических служб и
производственных подразделений предприятия, на котором изготовляется
деталь.
Для производства детали всегда можно предположить несколько методов обработки (или переработки) исходных материалов, которые технически в равной степени могут обеспечить заданные свойства. Взаимосвязь
конструкции деталей и технологии их изготовления, прежде всего, осуществляется через выбор материалов, методов обработки и учет объема выпуска и условий производства. Рис 4.1.
57
Формирование требований к конструкции и свойствам к детали, исходя из её функций и условий эксплуатации. Уточнение объёма выпуска.
Выбор материала (материалов). Разработка конструкции, определении допустимых отклонений формы,
размеров и физических свойств деталей при изготовлении.
Выбор методов обработки (или переработки),
обеспечивающих точность изготовления и наименьшие затраты, исходя из конструкций, материала, объёма выпуска.
Выявление технологических требований, предъявляемых к конструкции детали, для выбранных методов обработки материалов.
Уточнение марки материала.
Корректировка конструкции детали с учётом технологических требований методов обработки, функционального назначения и условий эксплуатации.
Рис.4.1. Взаимосвязь конструкции детали и технологии их изготовления
4.2 Методы размерной обработки изделий
Точность обработки деталей.
На качество изделия большое влияние оказывает точность входящих в
него деталей, компонентов, узлов и т. п.
Точность - степень соответствия действительного (полученного) параметра заданному (X) номинальному. Эта степень соответствия задается
допуском (Δ) на параметр изделия и обозначается с плюсовым, минусовым
или равносторонним допуском (например, Х ± Δ /2).
Точность обработки деталей регламентируется единой системой допусков и посадок (ЕСДП), опирающуюся на международную систему стандартов ИСО. Термины и определения системы допусков и посадок определены ГОСТ 25346-82.
58
Допуск Δ – разность между наибольшим и наименьшим предельным
размерами или абсолютная величина алгебраической разности между верхним и нижним отклонениями.
Посадка – характер соединения деталей, определяемый величиной
получающихся в нем зазоров или натягов. Различают три вида посадок: посадка с натягом; посадка с зазором; переходная посадка.
В единой системе допусков и посадок рассматриваются два вида: система отверстия и система вала.
Посадки в системе отверстия – посадки, в которых различные зазоры
и натяги получаются соединением различных валов с основным отверстием.
Посадки в системе вала – посадки, в которых различные зазоры и
натяги получаются соединением различных отверстий с основным валом.
Основное отверстие – отверстие, нижнее отклонение которого равно
нулю.
Основной вал – вал, верхнее отклонение которого равно нулю.
Отверстие – термин, применяемый для обозначения внутренних (охватывающих) элементов деталей.
Вал – термин, применяемый для обозначения наружных (охватываемых) элементов деталей.
Степень точности допусков и посадок определяется квалитетом.
Квалитет - ступень градации значений допусков системы. Каждый
квалитет содержит ряд допусков, которые в системе допусков и посадок
рассматриваются как соответствующие приблизительно одинаковой точности для всех номинальных размеров.
В ЕСДП приняты 19 квалитетов точности (вместо ранее применявшихся классов точности), записываемые в порядке понижения точности: 01,
0, 1, 2, 3, ..., 17. Квалитеты 01, 0 и 1 предназначены для концевых мер длины; квалитеты со 2-го по 4-й - для калибров и особо точных изделий. В квалитетах с 5-го по 13-й даются допуски для сопрягаемых размеров деталей, а
в квалитетах с 14-го по 17-й - для несопрягаемых размеров деталей. Допуски
обозначают IT с порядковым номером квалитета, например IT12. Для физических параметров допуск может быть проставлен в процентах. Например,
электрическое сопротивление R ± 5 %.
Параметры имеют разброс из-за производственных погрешностей.
Различают три вида производственных погрешностей: систематические, закономерно изменяющиеся, случайные.
Погрешность обработки партии деталей называют систематической
(постоянной), если погрешности деталей, входящих в партию, одинаковые.
Такая погрешность получается под действием неизменных факторов в течение обработки всей партии деталей. Погрешность называют закономерно
изменяющейся, если при переходе от одной детали к другой значение по59
грешности изменяется по тому или иному закону. Например, износ инструмента закономерно приводит к росту внешних размеров и уменьшению
внутренних (диаметров). Погрешность называют случайной, если закономерность изменения отсутствует, и предугадать время появления и направление действия погрешности невозможно. Пример случайной погрешности температурные колебания, погрешности базирования и т. п.
На практике ни одна из этих погрешностей в чистом виде не проявляется, и общая погрешность представляет комбинацию указанных видов погрешностей.
Если значение погрешностей больше заданного конструктором допуска, то часть параметров выйдет за поле допуска и будет забракована. Чтобы
этого не произошло, необходимо повысить точность ТП, подобрать более
точное оборудование, стабилизировать режимы, изменить метод обработки,
монтажа и т. п.
Шероховатость поверхностей.
Шероховатость поверхностей является одной из основных геометрических характеристик качества поверхности деталей, и оказывают влияние
на эксплуатационные показатели.
Термины и определения основных понятий по шероховатости поверхности приведены в ГОСТ 25142-82 (СТ СЭВ 1156-78), ГОСТ 2789-73 (СТ
СЭВ 638-77).
Шероховатость поверхности. Совокупность неровностей поверхности с относительно малыми шагами, выделенная с помощью базовой длины.
Используются три показателя шероховатости поверхностей: Rmax, Rz,
Ra.
Наибольшая высота неровностей профиля Rmax – это расстояние между линией выступов профиля и линией впадины профиля в пределах базовой
длины.
Rmax У max У p max
Высота неровностей профиля по десяти точкам Rz – это сумма средних
абсолютных значений высот пяти наибольших выступов профиля и пяти
наибольших впадин профиля в пределах базовой длины.
RZ
5
5
i 1
I 1
У P MI У M I
5
Среднеарифметическое отклонение профиля Ra – это среднеарифметическое абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой длины.
1 n
R A Уi
n i1
60
где n – количество выступов и впадин в пределах базовой длины.
Классы шероховатости поверхности Rmax, Rz, Ra определены в ГОСТ
2789-73 (СТ СЭВ 638-77). Имеется 14 классов шероховатости поверхностей.
Методы оценки точности.
Из большого разнообразия методов оценки точности рассмотрим чаще
всего применяющиеся в производстве РЭА: наблюдение в цехах, статистический, расчетно-аналитический.
Метод наблюдения в цехах основан на сборе данных о точности изделий, получаемых при обработке и сборке с использованием определенного
оборудования и приспособлений, с учетом обрабатываемых материалов, инструментов и т. п. Эти данные систематизируют и сводят в таблицы для различных методов обработки. Такие таблицы можно использовать для предварительной оценки точности разрабатываемого ТП.
Статистический метод оценки точности основан на положениях теории вероятности и математической статистики. Так как процесс производства РЭА характеризуется большим количеством факторов, влияющих на
качество и требующих системного подхода к его анализу и синтезу, для исследования точности ТП используют различные статистические методы.
Наиболее универсальным является метод кривых распределения, позволяющий оценить разброс погрешностей для данного ТП и определить процент
возможного брака.
Для построения кривой распределения погрешностей следует замерить партию деталей (конкретный параметр, допустим, размер L) в количестве N = 100 шт. Замеренный параметр разбивается на равные интервалы и
подсчитывается число n параметров в каждом интервале. Определяется частота
m = n/N повторений отклонений параметров в партии и строится
гистограмма и полигон распределения параметров (рис. 2.5). Вид кривой
распределения зависит от характера погрешностей. Случайная погрешность
подчиняется закону нормального распределения (закон Гаусса).
Рис 4.2
Кривые распределения случайных погрешностей характеризуются
средним размером и средним квадратичным отклонением. Средний размер
Lcp определяют по формуле:
61
N
Lср = Li/ N ,
i1
где Li - размеры отдельных деталей. Среднее квадратичное отклонение σ
определяется выражением:
N
σ2 =σ (Li – Lcp)2/ N.
i 1
Для определения вероятностных характеристик важную роль играет
количество деталей, которые нужно измерить, чтобы получить значения характеристик с достаточной степенью точности и достоверности. Для практических целей обычно бывает достаточно измерения 50-100 деталей. В тех
случаях, когда столько деталей получить невозможно и вероятностные характеристики определяются по меньшему N, точность и достоверность результатов необходимо оценивать на основании методов математической
статистики.
Ошибку Δσ при определении среднеквадратического значения вычисляют по формуле
Δσ = σ/ 2(N 1) ,
где Δσ - ошибка в долях σ.
Из этих же выражений можно определить N, удовлетворяющее заданной точности.
Уравнение распределения Гаусса (рис. 2.6) в координатах с началом в
центре группирования имеет вид
y(x) = exp(-x2/2σ2)/( σ 2π),
где σ - среднеквадратическое отклонение аргумента.
В зависимости от значения σ форма распределения изменяется. Чем
меньше σ, тем уже кривая и меньше поле рассеивания. Асимптотически
приближаясь к оси абсцисс, кривая нормального распределения стремится к
бесконечно малым значениям. За пределами интервала ± 3 σ она практически сливается с осью абсцисс.
Рис. 4.3
Площадь кривой, соответствующая заданному интервалу отклонений х
в единицах z=x/σ, определяется интегралом, который обычно называют ин62
тегралом вероятностей Лапласа:
Ф(z) = (2/ 2 ) exp(-z2/2) dz.
z
0
Интеграл табличный, его значения имеются во всех справочниках по
теории вероятностей. При известном значении σ и задании допустимого
значения х отклонения размеров детали от номинала величина интеграла
Ф(x/ σ) определяет вероятность получения размеров в пределах ±х отклонения от номинала, т.е. годных. При z=1 (x= σ) Ф(z) 0.683, при z=2 Ф(z)
0.954, при z=3 Ф(z) 0.996. Соответственно, величина
P(z) = [1-Ф(z)]·100 %
определяет возможный процент брака. Чтобы снизить процент брака следует либо увеличить поле допуска на отклонение от номинала, либо применить другой ТП, обеспечивающий меньшее значение σ.
Распределение систематических закономерно изменяющихся погрешностей происходит по различным законам. В простейшем случае постоянная
систематическая погрешность, вызванная, например, первичной настройкой
автомата, вызывает сдвиг кривой распределения случайных погрешностей
на определенную величину. При производстве деталей на нескольких автоматах одновременно такая систематическая погрешность вызовет расширение кривой распределения с уплощением ее вершинной части. Оценку возможной доли брака в этих случаях можно выполнять непосредственно по
кривым распределения графическими методами.
При долговременном выпуске каких-либо особо важных деталей, элементов или модулей статистический анализ может повторяться через определенные промежутки времени, что дает возможность построения временных диаграмм изменения точности, что дает возможность своевременной
замены оборудования или перехода на новый ТП.
4.2.1 Электрофизические и электрохимические методы обработки
деталей ЭС
Под электрофизическими и электрохимическими методами размерной
обработки понимают совокупность размерных воздействий (электрических,
ультразвуковых, электрохимических и др.) на обрабатываемую деталь для
придания ей заданной формы и размеров. Эти методы можно разделить на
четыре группы электроэрозионные, лучевые, ультразвуковые, электрохимические. К новым методам относятся плазменная обработка, формирование в магнитном поле.
Эти методы используются для изготовления изделий из материалов
высокой твердости, обработка которых обычными методами не возможна
или крайне затруднительна. К таким материалам относятся твердые сплавы,
ферриты, германий, кремний, алмазы, рубин, кварц, керамика и др.
Основным преимуществом электрофизических и электрохимических
методов обработки по сравнению с методами механической обработки яв63
ляется возможность копирования формы инструмента сразу по всей поверхности при простом поступательном перемещении инструмента, вследствие
чего процесс обработки легко автоматизируется.
Электроэрозионная обработка основана на использовании явления
электрической эрозии – направленного разрушения токопроводящих материалов в результате кратковременного теплового действия импульсных
электрических разрядов между инструментом и заготовкой в диэлектрической среде.
Основными методами электроэрозионной обработки являются электроискровая и анодно-механическая.
При электроискровой обработке в качестве диэлектрической среды
применяют керосин, трансформаторное масло и др. При уменьшении зазора
между инструментом и заготовкой под действием импульса тока возникает
искровой пробой, который вызывает эрозию в материале заготовки.
При анодно-механической обработке в качестве диэлектрической среды используется водный раствор жидкого стекла. Под действием постоянного напряжения на поверхности детали образуется силикатная пленка, имеющая повышенное электрическое сопротивление и исключающая замыкание между заготовкой и инструментом. Снятие пленки движущимся инструментом вызывает электротермическую эрозию обрабатываемого материала.
Электроэрозионная размерная обработка обладает уникальными технологическими возможностями для обработки твердых и сверхтвердых конструкционных материалов с использованием инструмента из более мягкого
материала, чем обрабатываемый.
Лучевые методы обработки. Особенностью лучевых методов обработки является отсутствие рабочего инструмента, роль которого выполняет
непосредственно луч. Основными разновидностями лучевой обработки являются электронно-лучевая и светолучевая.
Электронно–лучевая обработка основана на использовании теплоты,
выделяющейся при резком торможении потока электронов поверхностью
обрабатываемого изделия. При этом кинетическая энергия электронов преобразуется в тепловую и только незначительная часть (0,1-3%) в рентгеновское излучение.
Обработка осуществляется лучем малого диаметра (1...10 мкм) при
плотности энергии 107...109 Вт/см2. Электронный луч оказывает очень небольшое давление на поверхность, а температура в месте воздействия луча
достигает до 8000°С. В месте воздействия луча материал плавится и испаряется.
Электронно–лучевая обработка применима для всех материалов (металлов, ферритов, алмазов, графитов и др.). Благодаря малому времени воз64
действия теплоты термическое влияние на периферийные области незначительно. Недостатком метода является сложность установки из-за необходимости иметь вакуумную камеру и наличие рентгеновского излучения.
Светолучевая обработка основана на воздействии лазерного луча
высокой энергии на поверхность обрабатываемой заготовки, характеризующегося очень высокой плотностью тепловой энергии (температура в зоне
действия луча доходит до 9300°К).
Лазерная обработка используется для получения глухих и сквозных
отверстий диаметром 1-20 мкм, пазов, разрезания заготовок, сварки и др.
Возможность точной дозировки энергии делает широко используемым для
сварки монтажных соединений в интегральных микросхемах. При этом возможна сварка через прозрачные оболочки.
Сварка световым лучем имеет достаточно высокую производительность. Ее можно выполнять на воздухе, в атмосфере инертных газов и в вакууме. При этом не требуется защиты обслуживающего персонала от рентгеновского излучения, вследствие чего оборудование значительно упрощается.
Обработка ультразвуком.
Ультразвуковая обработка представляет собой ударно – абразивный
метод обработки материалов. Она осуществляется инструментом, колеблющимся в ультразвуковой частоте 18...20 кГц. Под торец инструмента подается водная суспензия абразивного порошка. Зерна абразива “вбиваемые” инструментом в заготовку скалывают материал мелкими частицами, которые
вместе с абразивом уносятся жидкостью.
Этим методом хорошо обрабатываются твердые и хрупкие материалы
керамика, кварц, рубин, алмаз, германий, кремний, твердые сплавы и др.
Точность и чистота обрабатываемой поверхности при ультразвуковой
обработке в основном зависит от величины зерен абразива в суспензии.
Электрохимическая обработка
Электрохимическая обработка основана на явлении анодного растворения металла и удаления продуктов электрохимической реакции с обрабатываемой поверхности. Ее используют для обработки токопроводящих материалов. При этом отсутствуют высокие давления и температуры.
Основными разновидностями электрохимической обработки являются анодно–гидравлическая обработка в проточном электролите, электрополирование в неподвижном электролите и анодно–механические способы чистовой обработки.
Достижимая точность обработки составляет 12...18 мкм, шероховатость Rа 0,08 мкм. Уникальным является отсутствие дефектного слоя на обрабатываемой поверхности детали.
65
Плазменная обработка
Плазменная дуга позволяет обрабатывать заготовки за счет нагрева
(температура в зоне действия 10000-30000°С), расплавления и испарения
материала и не требует создания вакуума.
Применение плазмы эффективно при резке нержавеющих сталей и
других материалов. Поверхность среза получается гладкой, а глубина зоны
влияния незначительной.
Плазменный нагрев используют для напыления тугоплавких неметаллических материалов, который вводят в плазму в виде порошка. Этим методом можно получать многослойные покрытия из одного или нескольких порошков. При помощи плазменной горелки можно обрабатывать материалы
любой твердости и любого химического состава.
4.2.2 Технологические процессы обработки деталей ЭС давлением
Литейные процессы.
Процессы литья позволяют существенно снизить металлоемкость и
трудоемкость изготовления деталей ЭС. В зависимости от типа производства, сложности и особенностей геометрических форм, линейных размеров и
материалов отливок применяют следующие виды литья под давлением, в
металлические формы (литье в кокиль), по выплавляемым моделям, центробежное, вакуумным всасыванием, намораживанием, в оболочковые формы,
в земляные формы.
Из вышеперечисленных видов литья наибольшее применение в технологии ЭС получили первые шесть способов.
Литье под давлением применяется для получения отливок сложной
конфигурации массой до 16 кг из легкоплавких цветных металлов и сплавов.
Основными достоинствами литья под давлением являются большая
производительность и высокая степень точности получаемых отливок, что
почти полностью исключает необходимость в механообработке. Повышенная прочность отливок и хорошее заполнение форм металлом позволяет
проектировать тонкостенные отливки (с толщиной стенок до 1 мм).
Поэтому литье под давлением целесообразно применять для получения небольших тонкостенных деталей сложной конфигурации.
Из-за высокой сложности технологического оснащения способ литья
под давлением применяется в условиях массового и серийного производства.
При решении вопроса о целесообразности применения литья под давлением необходимо учитывать, что возникает необходимость механической
обработки, если:
1) точность размеров выше4-5 го класса;
2) необходимо точно выдерживать расстояния между центрами отверстий;
66
3) диаметр и глубина отверстий и резьб соответственно меньше предельного диаметра или больше предельной глубины;
4) отливается резьбовая деталь; Если резьба получается в замкнутых
формах, то отливка извлекается вывинчиванием, что снижает производительность, а если в разъемных, то приходится удалять следы разъема;
5) литейные уклоны не допускаются конструктивно;
Для обеспечения технологичности деталей изготавливаемых методом
литья под давлением конструкция детали должна удовлетворять следующим
основным требованиям:
1) конфигурация деталей должна допускать литейные уклоны наружных и внутренних поверхностей;
2) наружные и внутренние углы необходимо закруглять;
3) не следует конструировать отливки с большой разницей в толщине
стенок для более равномерного остывания различных участков детали;
4) существуют ограничения на минимальную и максимальную толщину стенок зависящая от материала и типа литьевой машины. Обычно эти величины имеют значения порядка 1 и 10 мм;
5) при конструировании отливок необходимо учитывать их последующую усадку;
6) следует избегать всякого рода выступов и выемов в детали, для
оформления которых необходимо применение составных и подвижных
стержней;
7) надписи и цифры следует делать выпуклыми.
Для литья под давлением в основном применяются цинковые, алюминиевые, медные, свинцовистые и оловянистые сплавы.
Чистота поверхности деталей, отлитых под давлением из алюминиевых и цинковых сплавов, соответствует 4-му классу, а деталей из медных
сплавов – 2-му классу.
Литье в кокиль. Литье в металлическую форму (кокиль) дает большую производительность и позволяет получать отливки с точностью размеров (по 4-му и 5-му классам) при чистоте поверхности, соответствующей 3му классу.
К недостатку этого способа относится невозможность получать отливки сложной конфигурации.
Литье в кокиль применяют главным образом в серийном и массовом
производстве деталей средней сложности из цветных сплавов и чугуна.
Для обеспечения технологичности отливок при проектировании деталей необходимо учитывать следующее:
1) избегать большого количества выступающих частей на детали;
2) проектировать детали без впадин, идущих в направлении выемки
отливки;
3) избегать резких переходов от толстой стенки отливки к тонкой;
4) наружные и внутренние углы между необрабатываемыми поверхностями отливки должны иметь закругления радиусом не менее 3 мм;
67
5) предусматривать литейные уклоны поверхностей отливаемых деталей под углом более 1о;
6) для мелких деталей (вес отливки до 1 кг) минимальная толщина необрабатываемых стенок должна быть не менее 5 мм для чугуна; 2,5-4 мм для
латуни и бронзы и 2-2,5 мм для алюминия.
Литье по выплавляемым моделям заключается в том, что из легкоплавкой смеси парафина, стеарина, пчелиного воска, канифоли изготавливают модели отливок, по которым получают легкоплавкие линейные формы.
От других способов литья этот метод отличается тем, что полученная линейная форма не разнимается, а помещается в термостат или ванну с горячей водой, где легкоплавкая модель расплавляется и выливается из формы,
что не требует вторичного соединения полуформ. Это значительно повышает точность литья, поэтому этот метод также называют прецизионным.
Этот метод применяют для получения деталей ЭС сложной формы из
сталей, цветных металлов и других трудно обрабатываемых металлов. Способ некритичен к температуре плавления металлов.
Способ не требует громоздкого дорогостоящего оборудования, и поэтому применяется во всех типах производства для получения заготовок малогабаритных деталей, имеющих сложную конфигурацию.
Центробежное литье основано на использовании центробежных
сил, прижимающих жидкий металл к стенкам вращающегося линейного
блока, который может быть выполнен в виде форм, полученных по выплавляемым моделям. При центробежном литье отливки получаются более высокого качества, чем при литье под давлением, так как газы, шлаки и др.
Центробежными силами вытесняются в центральный литник. Способ центробежного литья применяется в серийном и массовом производстве.
Способ литья вакуумным всасыванием заключается в том, что металлическая форма – кокиль устанавливается на опорной плите тигеля, температура жидкого металла в котором поддерживается нагревателем. К нижней части формы присоединяется всасывающий патрубок, погруженный в
жидкий металл. Верхняя часть формы специальным патрубком соединяется
с форвакуумным насосом. При вакуумировании в рабочее пространство
формы засасывается жидкий металл, который плотно заполняет форму. Вакуумным литьем получают отливки с высокими и тонкими ребрами и другими сложными элементами конструкции, которые трудно или даже невозможно получить другими методами. Металл отливок получается плотным и
лишенным газовых пузырей. Брак по не заполнению формы отсутствует.
Способ применяется в серийном и массовом производстве для получения заготовок деталей сравнительно большой массы и размеров, и имеющих достаточно сложную конфигурацию.
При способе литья намораживанием на зеркало жидкого металла
помещают поплавок, форма внутреннего отверстия которого соответствует
наружному профилю поперечного сечения отливки. Вначале процесса в отверстие вводят затравку, изготовленную из того же металла, что и расплав.
68
Поперечное сечение затравки соответствует полному профилю изделия. При
контакте торца затравки с жидким металлом происходит их сцепление, после чего затравке придается поступательное движение вверх. Под действием
атмосферного давления, сил сцепления и сил поверхностного натяжения
жидкий металл, увлекаемый затравкой, попадает в охлаждаемую водой зону
(кристаллизатор), где и образуется отливка.
Литьем намораживанием получают сложные длинномерные профили
с толщиной стенок до 0,2 мм. Способ не требует сложного технологического
оснащения и поэтому применяется для всех типов производства. Недостаток
способа – низкая скорость литья.
Обработка давлением
Одним из прогрессивных методов изготовления многих деталей ЭС
является холодная штамповка, характеризующаяся высокой точностью и
стабильностью размеров, простотой выполнения операций, низкой трудоемкостью и относительно малой себестоимостью, широкой возможностью автоматизации и механизации. Холодная штамповка применяется для изготовления деталей из черных и цветных металлов, а так же листовых изоляционных материалов.
Недостатки холодной штамповки: высокая стоимость штампов, недостаточно высокое качества поверхности деталей, сложность получения толстостенных заготовок.
Экономичность применения холодной штамповки при малом объеме
производства достигается применением универсальных и специальных
штампов, что оказывается возможным при применении унифицированных и
стандартизованных деталей.
Операции холодной штамповки можно разделить на две группы разделительные, когда одна часть материала отделяется от другой, и формообразующие (формоизменяющие), когда заготовка превращается в пространственную деталь требуемой формы. Широко применяется также и комбинированная штамповка, то есть выполнение нескольких операций в одном металле.
К разделительным операциям относятся отрезка, вырубка, пробивка,
надрезка, обрезка, просечка и др.
К формообразующим (формоизменяющим) операциям относятся гибка, правка, вытяжка, отбортовка, ударное выдавливание.
Отрезка. Крупные заготовки отрезают на ножницах (гильотинах), а
мелкие заготовки – в штампах на прессах.
Отрезка на ножницах. Заготовки, отрезаемые на ножницах, можно
разделить на два вида: 1) заготовки с контурами, очерченными прямыми линиями; 2) заготовки с криволинейным контуром.
Заготовки первого вида отрезают на ручных рычажных ножницах и на
приводных гильотинных или дисковых ножницах с прямо поставленными
ножами.
69
Заготовки второго вида отрезают на дисковых ножницах с наклонно
поставленными ножами.
Отрезка в штампах на прессах. В этом случае возможна отрезка деталей с любым контуром.
Вырубка. При вырубке происходит отделение заготовки от исходного
материала (листа) по замкнутому контуру. Вырубкой получают плоские детали и заготовки различных форм и размеров с помощью вырубных штампов на прессах.
Пробивка. Пробивкой получают отверстия различных форм и размеров в деталях из листа (плоских и объемных).
Гибка. Процесс гибки состоит в изгибании части плоской или объемной заготовки под углом или по радиусу к другой ее части. Гибка производится на гибочных машинах в приспособлениях, на прессах в штампах.
Весьма важное значение имеет радиус гибки: если он слишком мал, то неизбежен разрыв наружных слоев материала. Минимально допустимая величина радиуса гибки зависит от механических свойств материала, его толщины,
направление линии гибки относительно направления прокатки, угла изгиба.
Вытяжка. Объемные полые детали различных форм из листового материала получают вытяжкой в штампах на прессах. Различают вытяжку без
утонения и с утонением.
При вытяжке без утонения превращение плоской заготовки в полую
деталь или последующие изменения ее формы происходит без предварительного изменения толщины исходного материала.
При вытяжке с утонением изменение формы плоской или предварительно вытянутой заготовки происходит с заранее заданным утонением стенок.
Объемная штамповка. К объемной штамповке относятся операции
высадки, прессования и кернения.
Высадка. При высадке на заготовках из листового материала - плоских, изогнутых или вытянутых - получают местные утолщения любой формы; высадкой сплошных заготовок из проволоки или прутка получают заготовки винтов, заклепок и т.п.
Высадка деталей из листового материала осуществляется в штампах
на фрикционных и чеканочных прессах, а деталей из проволоки или прутков
– на холодновысадочных автоматах. Число операций при высадке зависит от
количества материала для образования утолщения. При высадке за две и более операции необходимо производить междуоперационный отжиг для восстановления пластических свойств материала.
Прессование. Операция прессования применяется при изготовлении
плоских деталей с неглубоким рельефом. Прессование производится из
прутка, полосу или отдельной заготовки. Материал для прессования должен
обладать хорошими пластическими свойствами. Если в детали нет отверстий, то после прессования полоса поступает на штамп для вырубки; при
наличии отверстий полоса передается на штампы для пробивки и вырубки.
70
Кернение. Кернение, т.е. разметка отверстий под сверление при помощи керновочных штампов применяется в серийном и массовом производствах при изготовлении мелких плоских деталей с большим количеством отверстий и сложным их расположением. При кернении в штампах отпадает
необходимость сверления отверстий по кондукторам, что увеличивает производительность этой операции и снижает себестоимость продукции.
Экономическая эффективность использования методов обработки
давлением очень высока. Себестоимость изготовления простейших штампованных деталей соизмерима со стоимостью исходного материала заготовки.
Поэтому повышение эффективности процессов холодной штамповки, в
первую очередь, связано с экономией материала.
Экономия материала на 20-25% в большинстве случаев настолько эффективна, что стоимость сэкономленного материала превышает сумму прямой заработанной платы.
4.2.3 Технологические процессы обработки деталей ЭС резанием
Обработка резанием – процессы механического срезания слоев материала заготовок лезвийными или абразивными инструментами на металлорежущих станках с целью получения деталей с заданной формой, размерами
и качеством поверхности.
Резанием обрабатывают детали, являющиеся чаще всего конструктивными и реже схемотехническими элементами ЭВС корпуса, рамки, панели,
подложки плат, некоторые виды контактов и выводов, крепежные центрирующие детали, отдельные элементы несущих конструкций (угольники,
кронштейны, стержни и др.). Материалы перечисленных деталей алюминий
и его сплавы, медь и сплавы на ее основе, стали, сплавы металлов с особыми
физико – химическими свойствами, пластмассы и др.
Таблица 4.1
Вид обработки
Точение и растачивание.
Чистовое
Тонкое
Фрезерование, строгание
Чистовое
Тонкое
Сверление
Зенкование
Развертывание
Однократное
Тонкое и ручное
Квалитет точности
Rа, мкм
Глубина дефектного
слоя, мкм
10
7-8
25-5
0,32-0,63
20-30
5-10
8-11
7-9
12
11
1,25-5
0,63-1,25
5-20
5-10
20-50
10-30
25-70
25-40
10-11
5-7
1,25
0,63
15-25
3-5
71
Протягивание
8-10
1,25-5
10-15
Шлифование
Чистовое
Тонкое
6-8
5-6
0,63-1,25
0,16-0,63
5-15
3-5
Основные виды процессов обработки резанием следующие точение,
растачивание, фрезование, строгание, сверление, зенкование, развертывание, протягивание, шлифование, полирование и др. Точность размеров,
шероховатость поверхности и глубина дефектного слоя при различных видах обработки приведены в таблице 4.1.
У деталей, обрабатываемых резанием, различают точность размеров,
формы поверхностей и их взаимного расположения. Требования точности
назначают строго из эксплутационных требований. Завышение требований
точности вызывает необоснованное удорожание изготовления деталей.
В процессе обработки деталей резанием одновременно действуют несколько факторов, каждый из которых вызывает определенную долю суммарной погрешности. Слагаемые суммарной погрешности называют первичными погрешностями. Основными факторами, вызывающие первичные
погрешности, являются погрешность установки заготовки в приспособление, упругие деформации технологической системы “станок, приспособление, инструмент, деталь” (СПИД) от действия сил резания, размерный износ
режущего инструмента, геометрическая неточность станка, погрешность
настройки станка, погрешность настройки станка на выполнение размера,
тепловые деформации системы СПИД.
Погрешность установки при обработке партии деталей проявляется
как случайная погрешность и состоит из погрешностей базирования закрепления и неточности приспособления.
Погрешность базирования вызывается погрешностями изготовления
поверхностей заготовок, используемых в качестве установочных и измерительных баз.
Технологическими установочными базами называют те поверхности заготовок, которыми она устанавливается в приспособление.
Измерительными базами называю поверхности, от которых ведут
измерения выполняемого размера. Одни и те же поверхности, как частный
случай, могут быть одновременно и установочными и измерительными.
Размерный износ инструмента появляется как систематически закономерно изменяющаяся погрешность при числовой обработке.
Геометрическая неточность станка характеризуется погрешностями
взаимного расположения неподвижных и перемещающихся узлов станка,
погрешностями траектории их взаимных движений. Она вызывает искажение формы и взаимного расположения обрабатываемых поверхностей, но не
оказывает влияния на погрешность выполняемых размеров.
72
Погрешности изготовления мерных и фасонных инструментов переносятся на выполняемую форму и размеры и проявляют себя как систематические погрешности.
Погрешность настройки станка на выполняемый размер, как случайная величина, зависит от метода настройки, решающей точности измерительных приборов и оснащения для надстройки, методов расчета смещения
инструмента при настройке на размер и квалификации наладчика.
На стоимость обработки резанием кроме режимов резания влияет выбор станка, которые подразделяются на
универсальные станки общего назначения
специализированные станки
специальные станки и автоматические линии
станки с ЧПУ
обрабатывающие центры (робототизированные системы станков
с ЧПУ).
Неправильный выбор станка значительно увеличивает стоимость обработки.
4.2.4 Изготовление деталей ЭС из пластмасс
Пластическими массами называются материалы, получаемые на основе природных и синтетических высокомолекулярных соединений (полимеров), способных вследствие своей пластичности принимать придаваемую
им форму под воздействием тепла и давления и устойчиво сохранять ее.
Пластмассы по многим свойствам выгодно отличаются от других конструкционных материалов (дерева, металлов).
В среднем пластмассы в два раза легче многих металлов. Основные
виды пластмасс в отличие от металлов противостоят не только атмосферной
коррозии, но и воздействию различных кислот, щелочей, растворителей.
Многие пластмассы отличаются низким коэффициентом трения и весьма
малым износом. Большинство пластмасс – хорошие диэлектрики. Некоторые пластмассы могут заменить силикатные стекла и носят название органических стекол (поликарбонат, оргстекло, полистирол).
Изделия из пластмасс не нуждаются в лакировке, а также поверхностном окрашивании, т.к. путем добавления пигментов можно получать любые
цвета и оттенки.
Главное преимущество пластмасс – возможность формования из них
изделий при помощи разнообразных методов: Литья, литья под давлением,
прессования
К некоторым недостаткам пластмасс можно отнести более низкие
прочностные показатели и существенно меньшая теплопроводность, чем у
металлов. Поэтому пластмассы не применяют при изготовлении деталей, где
требуется эффективный отвод тепла.
В настоящее время с применением пластических материалов созданы
современные композиционные материалы с элементами нанотехнологии,
73
которые по своим прочностным характеристикам не уступают металлическим материалам: например, углепласты из которых делают корпуса самолетов.
Композиционный материал (композит, КМ) – искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с четкой границей раздела между ними. В большинстве компонентов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу и
включенные в нее армирующие элементы. В композитах конструкционного
назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристикам материала (прочность, жесткость и т.д.), а матрица (или связующее) обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды.
Пластмассы состоят из нескольких компонентов, основным из которых является полимер – высокомолекулярное органическое вещество (искусственная или органическая смола), выполняющее роль связующего материала для всех остальных компонентов. Помимо полимера в состав пластмассы входят наполнители, стабилизаторы, пластификаторы, смазки, красители, вспениватели и другие компоненты. Различают термопластичные
пластмассы и термореактивные.
Термопластичные пластмассы при нагревании приобретают пластичность, при охлаждении возвращаются в твердое стеклообразное состояние. Процесс перехода из пластичного состояния в твердое и обратно, можно многократно вызывать без изменения свойств материала. Детали из таких
пластмасс изготовляют методами литья. К таким пластмассам относят полистирол, полиэтилен, винипласт, капрон и др.
Термореактивные пластмассы при нагревании и давлении легко на
короткий промежуток времени переходят в вязкое состояние, а потом в результате теплового воздействия и химической реакции необратимо переходят в твердое нерастворимое и неплавкое состояние. Детали из таких пластмасс получают путем прессования с нагревом.
К термореактивным пластмассам относятся фенопласты, аминопласты, эфиропласты, эпоксипласты, силиконопласты и др.
Отходы производства деталей из термореактивных пластмасс повторно не используются.
4.2.4.1 Применяемые материалы и их технологические свойства
При производстве радиоаппаратуры пластмассы в зависимости от диэлектрических показателей и области применения разделяют на две группы
– низкочастотные и высокочастотные пластмассы.
Изделия из пластмасс, предназначенные для работы в низкочастотных
электрических цепях, должны иметь повышенные механическую прочность,
74
теплостойкость и электрическую прочность. Материалы, работающие в высокочастотных полях, кроме указанных свойств должны иметь определенные диэлектрические показатели: высокое объемное сопротивление, малый
тангенс угла потерь, определенную величину диэлектрической проницаемости.
Пластмассы, работающие в цепях низкой частоты.
Для изготовления деталей, работающих в цепях низкой частоты, применяют оргстекло, слоистые пластики: гетинакс, текстолит, стеклотекстолит, прессовочный матерал АГ-4.
Гетинакс изготавливают в виде листов, труб и стержней из бакелизированной (40-45% смолы) сульфатной бумаги. Радиодетали из гетинакса
толщиной до 4 мм изготавливают штамповкой разогретых листов. Гетинакс
хорошо обрабатывается резанием.
Листовой текстолит получают также как и гетинакс, спрессовывая на
прессах х/б ткани, пропитанные термореактивными смолами (40-54% смолы), под давлением 90-125 кГ/см2.Текстолит поставляется в виде листов,
плит, труб и стержней. Текстолит обрабатывается давлением, штамповкой и
резанием.
Стеклотекстолит изготавливается из смол (кремнийорганических,
эпоксидных, фенолформальдегидных), содержащих упрочняющий наполнитель в виде стеклянных тканей волокон или нитей. Стеклотекстолиты высоким пределом рабочей температуры, высокой механической прочнстью и
малой водопоглощаемостью при хороших электроизаляционных свойствах.
Прессовочный материал АГ-4 изготавливается на основе модифицированного фенолформальдегидного связующего и наполнителя – стеклянных нитей и предназначается для изготовления деталей прямым, литьевым
прессованием с последующим отверждением деталей конструкционного и
электротехнического назначения повышенной прочности, пригодных для
работы в интервале температур от минус 196 до плюс 200 ºС и в тропических условиях.
Пластмассы, работающие в цепях высокой частоты.
Для изготовления деталей, работающих в цепях высокой частоты,
применяют полистирол, фторопласт – 4 или тефлон, полиэтилен, поликарбонат, арилокс.
Полистирол, наполненный двуокисью титана. Наполненный диэлектрик на основе полистирола, изготавливаемый прессованием. В зависимости от содержания наполнителя диэлектрическая проницаемость имеет
значение от 3 до 16. Материал металлизируется медной фольгой
Фторопласт-4 фольгированный (ФФ). Ненаполненный диэлектрик,
получаемый полимеризацией тетрафторэтилена. Основной недостаток - деформация под нагрузкой.
Фторопласт 4 армированный (ФАФ – 4). Прессованный материал,
представляющий собой многослойную пластину из стеклоткани на основе
стекловолокна марки Э (изготовленного из фторопласта -4Д, толщина во75
локна 0,1 мм). Материал облицован медной фольгой диэлектрическая проницаемость 2,6-3.
Арилокс, наполненный алундом или двуокисью титана. Наполненный диэлектрик на основе полифенилоксида, изготавливаемый прессованием с одновременной металлизацией медной фольгой. Диэлектрическая
проницаемость 2,8-16. Широко применяется при изготовлении полосковых
схем. Например, ФЛАН-10.
Технологические свойства прессовочных материалов
При проектировании деталей, а также разработки ТП изготовления
необходимо учитывать следующие свойства пластмасс, детали из которых
получают методом прессования:
Удельный объем пресспорошка зависит от помола и вычисляется по
формуле x 200 / a , где a - вес порошка в 200 мг.
Насыпной вес, или кажущийся удельный вес порошка, - обратная величина удельного объема, выраженная в г/см3.
Гранулометрический состав порошка характеризуется размером его
частиц и соотношением количества частиц разных размеров в одной партии.
От размеров частиц порошка зависит его удельный объем. Постоянство гранулометрического состава порошка позволяет получать таблетки
одинакового веса и обеспечить нормальную работу питателей, дозаторов и
прессов, что важно при автоматизированном производстве.
Сыпучестью порошка называется его способность равномерно высыпаться из бункера таблетировочной машины или питателя пресс-формы. Она
зависит от гранулометрического состава и влажности.
Степень сжатия порошка называется отношение объема, занимаемой
определенной навеской порошка, к объему той же навески, полученному после таблетирования ил прессования до текучего состояния. Степень сжатия
необходимо учитывать при расчете форм для таблетирования и объема загрузочных камер пресс-форм.
Текучестью принято называть способность прессовочного материала
заполнять пресс-форму под давлением при определенной температуре.
Содержание летучих веществ и влаги в прессовочном материале
определяют по разнице в весе навески пресспорошка (около 5 г) до и после
высушивания в термостате при температуре 103-105 ºС в течение 30 мин.
Таблетируемостью называется способность прессовочного материала
уплотняться при изготовлении таблеток на таблетировочных машинах без
спекания и сплавления.
Предварительный подогрев прессматериалов перед прессованием и
литьем значительно сокращает время выдержки изделий в пресс-форме,
улучшает их качество и облегчает технологический процесс. Режим подогрева устанавливают по «кривой текучести», показывающей изменение текучести материала в зависимости от времени и температуры подогрева. За
76
оптимальный режим подогрева принимают условия (время и температуру),
при которых получается наибольшая текучесть.
Скорость отверждения – время в секундах, необходимое для затвердевания образца (на 1 мм его толщины).
Температура прессования определяется опытным прессованием стандартных дисков или брусков при разной температуре с интервалом
10 – 15 ºС. При этом остальные факторы (давление, режим подогрева) должны оставаться постоянными. Оптимальной температурой считается та, при
которой требуется минимальная выдержка в пресс форме под давлением и
качество изделий соответствует ТУ по всем показателям.
Удельное давление устанавливают опытным путем для каждого прессовочного материала на основании прессования стандартных дисков диаметром 100 мм.
Усадка изделий показывает, в каком процентном отношении уменьшаются размеры изделия с момента извлечения его из нагретой формы до
полного остывания.
Внешний вид поверхности. Поверхность должна быть блестящей,
гладкой, без пятин, вздутий, трещин Расслоений и раковин.
4.2.4.2 Требование к технологичности конструкций изделий
из пластмасс
При конструировании деталей из пластмасс следует по возможности
избегать поднутрений в направлении перпендикулярном направлению прессования. Необходимо также наметить линию разъема подвижных частей
пресс-формы. Целесообразно кромку детали, бортик или выступ, где может
быть намечена линия разъема, оформить с острыми гранями, так как это
упрощает снятие облоя.
Чтобы обеспечить однородную усадку и устранить коробления и перекосы детали, ее поперечные и продольные сечения должны быть одинаковы или близки по толщине, без больших местных утолщений и утонений,
без резких переходов. Для увеличения жесткости лучше применять профилирование стенок.
Плавное сопряжение поверхностей детали позволяет упростить изготовление пресс-формы, предупреждает брак при прессовании, увеличивает
ее механическую прочность, тогда как наружные и внутренние углы без
округлений легко скалываются и являются концентраторами напряжений,
что может привести к появлению трещин.
4.2.4.3 Технология изготовления деталей из пластмасс
Метод формования определяется технологическими свойствами формуемых материалов, а также формой размерами и назначением изделий.
Основными методами формования являются:
Прямое прессование – применяется для термореактивных материалов
с любым наполнителем и для некоторых термопластов.
77
Литьевое прессование для термореактивных материалов с любым неслоистым и недлинноволокнистым наполнителем.
Литье под давлением – для всех типов термопластичных материалов.
Прямое прессование.
Прямым прессованием изготавливают уплотнительные прокладки,
изоляционные колпачки, втулки конусы и т.п.
Процесс формования изделий происходит при смыкании двух частей
пресс-формы: неподвижной – матрицы и подвижной – пуансона.
Материал загружают непосредственно в формообразующую полость,
где он нагревается, формуется, выдерживается под давлением в течение
времени, необходимого для отверждения. Затем деталь извлекают из прессформы.
Одной из основных подготовительных операций при прессовании является таблетирование, при котором осуществляется предварительное
уплотнение прессмассы. Таблетки обычно применяют цилиндрической
формы, но в отдельных случаях применяют фасонные, форма которых приближается к конфигурации готового изделия.
Таблетирование производят без подогрева под давлением 200-400
2
кг/см . Длительность цикла прессования изделий из термореактивных
пластмасс складывается из времени разогрева материала до температуры его
плавления и времени полимеризации (отверждения). Прессматериалы являются плохими проводниками тепла, в связи с чем время разогрева оказывается больше, чем время отверждения. Поэтому при прессовании целесообразно материал перед загрузкой в пресс-форму предварительно подогреть.
Такой подогрев позволяет сократить длительность прессования в 2-3 раза.
Кроме того, предварительный подогрев приводит к улучшению физико-механических свойств изделий. При этом удельное давление снижается
из-за увеличения текучести материала.
Литьевое прессование.
Литьевым прессованием получают детали сложной конфигурации с
различной запрессованной арматурой (разъемы, контактные колодки и гнезда, ручки и т.п.), а также тонкостенные детали. При этом прессуемый материал загружают в обогреваемую камеру предварительно замкнутой прессформы. Нагреваясь от стенок загрузочной камеры и приобретая необходимую пластичность, материал под давлением пуансона поступает через литниковый канал в полость пресс-формы и заполняет ее.
Литьевое прессование позволяет получать изделия, как из термопластичных, так и из термореактивных материалов.
Литье под давлением.
Литьем под давлением получают различные детали любой конфигурации (корпуса, стаканы, втулки, колпачки и т.п.). Литье под давлением производится на литьевых автоматах. Это самый распространенный и наиболее
выгодный способ переработки термопластов.
78
Дозировка прессовочного материала, нагрев, нагнетание его в прессформу, выдержка, разъем пресс-формы и выталкивание изделий в современных в современных машинах производится автоматически.
Механическая обработка пластмассовых деталей.
Методы механической обработки пластмассовых деталей используют
для следующих целей удаления облоя, литников, снятия фасок по месту
разъема формы, выполнение отдельных элементов детали, которые трудно
получить методом литья или прессования, повышения точности размеров и
качества поверхности отдельных элементов детали.
Применяются все методы механической обработки пластмассовых деталей. При обработке термопластов используют лезвийные инструменты, из
любых инструментальных материалов, а при обработке реактопластов –
преимущественно абразивные лезвийные из сверхтвердых материалов, поскольку реактопласты, наполненные стекловолокном или кварцевой мукой,
вызывают повышенный износ обточных инструментальных материалов.
Характерным препятствием для производительной обработки резанием является низкая теплопроводность пластмасс, вызывающая местный
разогрев пластмассы в зоне обработки и приводящая к различным негативным явлениям. Например, при сверлении коммутационных отверстий в многослойных печатных платах, разогретая пластмасса обволакивает срезы
фольги, выходящие в отверстие и затрудняет получение электрической коммутации между слоями платы.
При сверлении различных монтажных отверстий в пластмассовых деталях их размер нередко получается уменьшенным по сравнению с размерами сверла и это необходимо учитывать. При обработке армированных
пластмасс, обладающих анизотропной прочностью, под действием усилий
резания может произойти расслоение материала.
4.2.5 Изготовление деталей ЭС из керамических и металлокерамических материалов
Детали и узлы из керамики широко применяются в РЭА благодаря их
возможности выдерживать высокие температуры, высокой механической
прочности, стабильности свойств при изменении температуры, влажности,
давления и длительной эксплуатации, а также незначительных диэлектрических потерях на высоких частотах.
Керамические материалы – это материалы, полученные спеканием
порошкообразных материалов и других неорганических соединений при высоких (1473-1873°К) в твердой фазе.
Из керамических изготавливают твердые изоляционные основания
плат в микромодулях и в микросхемах, элементы корпусной защиты микро-
79
схем, а так же каркасы катушек и другие радиодетали. Основой керамического материала является глинозем (Al2O4).
Металлокерамика – это материалы и детали, изготавливаемые преимущественно из металлических порошков методами керамической технологии. Подбором состава керамического порошка с добавлением окислов
металлов и металлических химических соединений получают уникальные
свойства металлокерамических деталей стабильные магнитные свойства, дугостойкость, износостойкость, высокую твердость. Процессы создания металлокерамических деталей относят к порошковой металлургии.
Различают глинистую, например, радиофарфор, ультрафарфор и безглинистую керамику, например, алюминоксид, радиостеатит. Глину добавляют для создания пластичности керамической массы. Для обеспечения пластичности в безглинистую керамику добавляют органическую связку, которая выгорает при обжиге изделия.
4.2.5. 1 Применяемые материалы и их характеристики
Керамические материалы можно разделить на 4 группы: установочная,
конденсаторная, вакуумная и сегнетокерамика.
Установочная радиокерамика имеет высокую механическую прочность и применяется для изготовления изоляторов, каркасов катушек индуктивности, плат, ламповых панелей, герметичных корпусов, оснований для
печатных схем и т.д. К этому виду керамики относится радиофарфор, ультрафарфор, поликор, 22ХС.
Конденсаторная керамика имеет высокую диэлектрическую проницаемость и применяется для изготовления высокочастотных конденсаторов
низкого и высокого напряжения и подложек СВЧ схем. Основным компонентом конденсаторной керамики является двуокись титана или циркония.
Вакуумная керамика используется для газонепроницаемых корпусов,
проходных изоляторов, внутриламповых деталей (алунд, ультрафарфор).
Сегнетокерамика обладает сверхвысокой диэлектрической проницаемостью и используется для изготовления миниатюрных конденсаторов
большой емкости. Основными компонентами этой керамики являются твердые растворы титанатов бария, стронция, кальция и свинца.
4.2.5.2 Технологические процессы
Структура ТП изготовления керамических деталей в первую очередь
зависит от рецептурного состава керамического материала, выбранного из
условий наиболее полного удовлетворения технических требований, предъявляемых к деталям, и экономичности ее изготовления.
Основные элементы структуры ТП следующие
приготовление технологической керамической массы
формообразование
80
низкотемпературный обжиг для удаления технологической связки (1173-1273°К)
высокотемпературный обжиг (1373-1773°К), формирующий основные физические свойства керамических деталей
глазурование;
доработка деталей с целью формирования специфических физических свойств, геометрии и размеров детали
Точность металлокерамических деталей после спекания не превышает
10-12 квалитета. После доработки калибровкой точность может быть повышена до 8-9 квалитета, а шероховатость снижена с Rа –2,5 до Rа –0,63 мкм.
Подготовка керамического сырья. Основой керамической технологии является приготовление керамической массы в виде однородной смеси
тонкодисперсных сырьевых компонентов. Такая смесь изготавливается
смешением тонкодисперсных сырьевых компонентов или одновременным
тонким измельчением и смешением сравнительно крупнозернистых компонентов в шаровых мельницах периодического действия.
Тонкий (мокрый) помол обычно длится 15-30 ч. Смесь материалов,
полученная в шаровых мельницах, называется шликером. Шликер подвергают магнитной сепарации, пропускают через вибрационное сито (900 -1600
отв./см2) для отделения механических включений и сливают в бак с вертикальной пропеллерной мешалкой, в которой проводится непрерывное перемешивание шликера для предотвращения его расслаивания
Формование полуфабриката. Способ формования керамических полуфабрикатов определяется конструкцией детали, составом керамического
сырья и размером партии деталей.
Сухое прессование. Сухим прессованием изготовляют относительно
небольшие плоские детали, имеющие незначительные выступы и углубления, с большой точностью размеров. Процесс поддается автоматизации и
может быть использован в крупносерийном производстве.
Для сухого прессования коржи керамической массы высушивают в
сушильных шкафах или токами высокой частоты, до получения веса, установленного по ТУ, а затем размалывают в дезинтеграторах. В порошок добавляют связку – 6% воды или 7-10% парафина или 15% водного раствора
поливинилового спирта. Массу формуют в металлических пресс-формах на
гидравлических или пневматических прессах или специальных прессавтоматах.
Большая плотность заготовки, полученной при сухом прессовании,
обеспечивает большую точность деталей. Допуск на размеры керамической
радиодетали при этом методе принимают равным (0,015a 0,1) мм, где a размер детали. При этом необходимо учитывать коэффициент усадки, который определяется опытным путем.
Выдавливание через мундштук. Этот способ применяется для получения керамических деталей удлиненной формы – трубок, стержней, колодок, каркасов катушек индуктивности.
81
Керамическая масса для выдавливания через мундштук должна содержать от 20 до 40% влаги, кроме того, в нее добавляют декстрин или тунговое масло. Тонкие стержни и тонкостенные трубки выдавливают на вертикальных мундштучных прессах, стержни большого диаметра – на горизонтальных прессах с механическим, гидравлическим или пневматическим
приводом. Из мундштука полуфабрикат попадает в электросушилку, где
слегка подсушивается, затем его укладывают на деревянный лоток, откуда
полуфабрикат поступает на сушку и обжиг.
Горячее литье под давлением. Литьем под давлением получают небольшие керамические детали точных размеров и сложной конфигурации в
массовом производстве.
При горячем литье под давлением уменьшается расход массы. Литье
под давлением заключается в заполнении металлической формы литейным
шликером при определенных температурах их нагрева и необходимом давлении; выдержки формы под давлением в течение времени, требуемого для
охлаждения шликера, и извлечения отливки из формы.
Сушка и пропитка заготовок. Сушка – это процесс удаления влаги и
летучих компонентов из керамических шликеров, формовочных полуфабрикатов и заготовок. Эта операция представляет один из наиболее трудных и
ответственных этапов технологического процесса изготовления керамических изделий, от которого в значительной степени зависит качество выпускаемой продукции.
Керамические массы и заготовки сушат в печах периодического и непрерывного действия одним из следующих способов: конвективным, термоконтактным, радиационным, высокочастотным и электроконтактным.
При конвективном способе тепло, необходимое для испарения влаги,
передается газообразным теплоносителем, обычно сухим воздухом.
При термоконтактном способе тепло передается заготовке от соприкасающейся с ними поверхности.
При радиационном способе сушки изделие нагревается инфракрасными лучами от электрических ламп или специальных излучателей.
При высокочастотном способе нагрев заготовок, помещенных в поле
высокой частоты (для керамики не ниже 5 МГц) осуществляется за счет диэлектрических потерь.
При электроконтактном способе сушки, основанном на электропроводности влажных керамических заготовок, тепло выделяется непосредственно в заготовке при пропускании через нее переменного тока промышленной частоты.
Высушенные керамические заготовки пропитывают парафином (кроме изделий, полученных горячим литьем, т.к. они содержат парафин в качестве связующего литейной массы). При этом парафин расплавляют в ванне
до температуры 90 - 100ºС. Заготовки перед погружением в парафин нагревают до температуры 70 -80ºС. Продолжительность пропитки зависит от
толщины заготовки и составляет 1 – 6 часов. Заготовки, пропитанные парафином, можно долго хранить на складе, т.к. они влагу не поглощают.
82
Обжиг. Обжиг проводится для обеспечения необходимой механической прочности в результате спекания керамической массы.
Обжиг проводится в два этапа: предварительный и окончательный.
Предварительный обжиг проводится при температуре 800 -1000ºС
без спекания керамической массы. При этом происходит выгорание органических веществ.
После предварительного обжига заготовки поступают на окончательный обжиг. Иногда между этими операциями проводят механическую обработку заготовок.
Окончательный обжиг. Во время этой операции происходит усадка
материала, и заготовки керамических изделий приобретают окончательные
размеры. Для каждого состава керамической массы режимы различных стадий окончательного обжига подбирают опытным путем.
Сначала температуру повышают с заданной скоростью для удаления
связанной воды до некоторой максимальной температуры (1270 - 1750ºС) с
последующей выдержкой. На этой стадии обжига часть компонентов керамической массы расплавляется и пропитывает всю массу заготовки, в результате чего в ней происходят реакции растворения и образования новых
соединений. Точность поддержания температуры ± 15ºС, т.к. при превышении температуры заготовки могут расплавиться или покоробиться, а при недостаточной температуре спекание неполное и могут появляться поры.
Затем заготовки охлаждают также с определенной скоростью, чтобы
они не растрескались.
Обжиг заготовок проводится в газовой среде определенного состава в
зависимости от типа керамики.
Качество обожженных заготовок контролируется измерением тангенса
угла диэлектрических потерь, после выдержки во влажной среде. Увеличение потерь свидетельствует о повышенной пористости детали.
Глазурование. Для защиты поверхности керамических деталей от загрязнения, повышения поверхностного сопротивления, получения красивого
внешнего вида, а также для склеивания отдельных конструктивных элементов применяется глазурование.
Глазури получают из высокодисперсных порошковых материалов,
близких по составу к керамическим массам, с добавлением керамических
составляющих.
Механическая обработка обожженных керамических заготовок. В
случае необходимости изготавливать точные керамические детали или сопрягать их с точными металлическими деталями (по 2-му – 3-му классам)
возникает необходимость в механической обработке путем шлифования порошковым абразивом из корунда, карбида бора и т.п. Шлифуют плоскости,
цилиндрические и сферические поверхности. Кроме того, заготовки иногда
разрезают или сверлят в них отверстия различной формы.
83
4.2.6 Технология изготовления контактных и упругих элементов
Контактами называют токоведущие детали устройств, обеспечивающих коммутацию электрических цепей. По условию работы контакты подразделяют на высокочастотные, слаботочные и сильноточные. Контакты работают попарно, а их соприкасающиеся поверхности оформляют в виде цилиндров, плоскостей и сферы.
Слаботочные контакты для токов от долей до единиц ампер изготовляют обычно из благородных и тугоплавких металлов, преимущественно из
серебра, платины, палладия, золота, вольфрама и сплавов на их основе типа
твёрдых растворов, в том числе дисперсионно-твердеющих и диффузионноокисленных. Например, контактный сплав СрМ960 состоит из 96% серебра
и 4% меди. Он имеет удельное сопротивление 0,018 мкОмм. Основными
эксплуатационным параметрами контактов являются: переходное сопротивление (обычно 0,01 – 0,03 Ом), ёмкость между контактами (для высокочастотных узлов должна быть не более 1 – 2 пФ), срок службы, который оценивается числом переключений и составляет от нескольких тысяч до нескольких миллионов переключений.
Сильноточные контакты для токов от единиц до сотен ампер используются в электромеханических и других устройствах. Их изготавливают из
спечённых псевдосплавов, состоящих из двух и более компонентов, из которых один обладает значительно большей тугоплавкостью, другой большей
электро- и теплопроводностью. Тугоплавкие компоненты из окиси кадмия,
никеля, вольфрама повышают износостойкость, термическую стойкость и
препятствуют свариванию контактов друг с другом. В качестве электропроводного компонента используют серебро или медь. Например, контактный
материал КМК-А10м состоит из 85% серебра и 15% окиси кобальта и имеет
удельное сопротивление 0,028 мкОмм, а материал СВ50Н2 – из 48% серебра, 50% вольфрама и 2% никеля и имеет удельное сопротивление 0,041
мкОмм.
Технология достижения заданных физических свойств контактных и упругих элементов.
В коммутационных устройствах различной аппаратуры надёжный
электрический контакт обеспечивается, если контактные детали имеют хорошую электропроводность, теплопроводность, износоустойчивость и коррозионную стойкость. Эти характеристики контактов обеспечивают выбором материала и ТП их изготовления. При малых разрывных токах, для изготовления контактов применяют серебро, так как контакты из серебра
имеют малое переходное сопротивление, почти не изменяющееся в процессе
эксплуатации. При большой частоте разрыва цепей с малыми токами используют дугостойкие и износостойкие контакты из вольфрама, палладия,
платины и их сплавов. Для сложных условий эксплуатации применяют золото, платину, палладий, родий, иридий и их сплавы.
Следует особо отметить, что при изготовлении контактов их поверхность, размыкающая электрическую цепь, должна обладать коррозионной и
84
электроэрозионной стойкостью. При изготовлении контактов для экономии
драгоценных и дефицитных материалов применяют накладки из этих материалов, а остальную часть контакта выполняют из более дешёвого материала, например, из меди или латуни.
Пружины (винтовые цилиндрические, спиральные и плоские) должны
иметь требуемую зависимость осевой силы от деформации, стабильную характеристику в рабочем диапазоне температур и во времени, быть коррозионно-стойкими и т.д. Эти характеристики обеспечиваются выбором материала и ТП изготовления пружины. Материалы для изготовления пружин разделяют на три основные группы (табл. 4.2). В первой группе цикл термической обработки осуществляется до формирования пружины. Требуемые
упругие свойства обеспечиваются нагартовкой материала. Во второй группе
требуемые упругие свойства обеспечиваются закалкой и отпуском после
формирования пружины. В третьей группе упругие свойства создаются за
счёт дисперсионного твердения, выполняемого после формирования пружины.
Таблица 4.2
Г
руппа
сплавов
1
Основные марки материалов
Бр0Ф6,5-0,4; Бр0Ф4-0,25; Л63; Л68;
МНЦ-15 - 20
У8А, У10А, 65Г, 40Х13, 51ХФА,
60С2А, 65С2ВА
Л80;
2
3
БрБ2, БрБ2,5, БрБНТ1,7,БрБНТ1,9,
Н36Х11,
Н36ХТЮМ5,
Н43ХТ,
Н36ХТЮМ5,Н43ХТ,
МНМц
20-20,
40КНХМ, Н14ХТ
Основные этапы ТП
1.
Отжиг
2.
Формование
1.
Отжиг
2.
Формование
3.
Закалка
4.
Отпуск
1.
Закалка
2.
Формование
3.
Дисперсионное
твердение
Спиральные пружины, работающие при статической нагрузке в условиях длительного нагружения, изготовляют из высококачественной углеродистой стали, например У8А, обладающей большой прочностью и стабильностью. Исходным материалом служит нагартованная или термически обработанная лента. Бронзы и латуни применяют в тех случаях, когда нецелесообразно использовать сталь, например в магнитных полях, в агрессивных
средах и т.д. Часто для изготовления пружин применяют термически обработанные материалы, которые после формования подвергают только низкотемпературному отпуску для снятия внутренних напряжений.
85
4.3 Защитные покрытия
4.3.1 Общие сведения, классификация покрытий
Все покрытия независимо от их назначения должны иметь прочное
сцепление с изделиями, на которые оно наносится.
По основному назначению покрытия разделяют на защитные, защитно-декоративные и специальные покрытия.
Защитные покрытия служат для предотвращения коррозии металла
деталей в условиях эксплуатации.
Защитно-декоративные покрытия наносят на детали, требующие декоративной отделки при одновременной защите их от коррозии.
Специальные покрытия предназначаются для придания поверхности
деталей особых свойств или защиты металла от воздействия особых сред,
например: серебрение, применяют для повышения электропроводности поверхности, хромирование – для повышения твердости и т.д.
По способу нанесения различают покрытия металлические негальванические, неметаллические химические, металлические и неметаллические
гальванические и лакокрасочные.
4.3.2 . Подготовка поверхности перед нанесением покрытий
Для обеспечения хорошей адгезии покрытия к поверхности детали перед нанесением покрытия проводится тщательная подготовка поверхности.
Очистку и подготовку поверхности осуществляют механическим, химическим, электрохимическим и ультразвуковым способами.
Механические способы подготовки поверхности. Механическая обработка поверхности применяется для удаления окалины, ржавчины, старой
краски, царапин и т.д. Для этого поверхность детали подвергают пескоструйной обработкой, крацеванию, галтовке, шлифованию, полированию.
Пескоструйную очистку применяют для удаления, например окалины,
шлаковых и других включений с поверхности, например, литых деталей.
Гидропескоструйную очистку производят струей смеси песка с водой,
подаваемой с большой скоростью из специального аппарата через сопло под
давлением сжатого воздуха около 4 ат и выше.
Крацевание – обработка поверхности изделия вращающимися щетками из стальной, латунной или медной проволоки диаметром 0,2 – 0,4 мм.
Крацевание применяют для удаления заусенцев, окислов, остатков жировых
загрязнений, и др. дефектов поверхности. Крацевание обычно проводится
мокрым способом с применением, например, 5% раствора соды, мыльной
воды, и т.д.
Галтовка - проводится обработка изделий в барабанах. Детали загружают во вращающийся барабан, где они трутся и царапают друг друга краями. При этом удаляются грубые неровности, заусенцы, поверхность деталей
очищается от ржавчины и окалины. Иногда в барабан добавляют, куски железа, стекло, наждак и т.д.
86
Для ускорения галтовки в барабан вводят жидкую среду, например,
слабый раствор кислоты или щелочи.
Очень хорошие результаты дает полирование мелких изделий шариками из закаленной стали.
Шлифование – процесс обработки материалов, при котором острые
грани мелких зерен абразивного материала снимают с обрабатываемого материала очень тонкую стружку, обеспечивая сравнительно гладкую и ровную поверхность. Шлифование осуществляют на станках абразивными кругами.
Полирование – обработка материалов с целью удаления мельчайших
неровностей с поверхности детали и придания ей зеркального блеска. Полирование проводится на станках кругами из полотна, фетра, замши. Для полирования применяют более мелкие абразивные материалы, чем для шлифования, которые наносят на круги во время работы.
Химическая и электрохимическая обработка поверхности. К химическим и электрохимическим видам обработки поверхностей относятся
обезжиривание, травление и декапирование.
При химическом обезжиривании применяют растворы щелочей, щелочных солей и органические растворители.
При электрохимическом обезжиривании обезжиривание производится
в щелочном растворе на катоде или на аноде. Эффективность этого способа
может во много раз превышать эффективность химических способов очистки.
Травление – это процесс удаления окислов с поверхности металлов путем обработки изделий в растворе кислот и кислых солей или щелочей.
Травление производится как химическим, так и электрохимическим способом. Перед травлением поверхность должна быть обезжирена.
Декапирование – один из видов химической обработки, который производится непосредственно перед погружением изделий в гальванические
ванны. Эта операция необходима, прежде всего, для быстрого удаления тонкого слоя окисла с поверхности очищенных изделий при их транспортировании или во время хранения. Для химического декапирования применяют
более слабые растворы, чем для травления.
Ультразвуковая очистка. Ультразвуковая очистка заключается в
возбуждении жидкости энергией звуковых колебаний высокой частоты с
помощью магнитострикционных и других вибраторов. При этом происходит
так называемая кавитация - захлопывание» пузырьков газа, образующихся
при периодическом сжатии и расширении жидкости под действием знакопеременного давления.
Как правило, кавитация сопровождается разрушением поверхности
твердого тела, находящегося в жидкости, и сопровождается отрывом прилипших к поверхности изделия частиц загрязнений, а также разрушением
окислов.
87
При низких ультразвуковых частотах преобладает механическое действие кавитационных ударов, химическое действие растворителя на загрязнения усиливаются интенсивным движением жидкости.
При высоких частотах важную роль играет повышение температуры в
поверхностном слое благодаря поглощению энергии ультразвуковых колебаний и превращению их в тепло.
Ультразвуковая очистка проводится в водных растворах солей, органических растворителях, щелочных и кислотных растворах.
4.3.3 Металлические негальванические покрытия
При производстве радиоаппаратуры применяют вакуумное испарение,
магнетронное распыление, горячее распыление, горячую металлизацию
Вакуумное испарение. Вакуумное испарение – способ нанесения на
поверхность изделия тонкой металлической пленки путем конденсации паров металла, испаряемого нагревом металлической навески до высокой температуры в вакууме.
Этот метод широко применяется в технологии тонкопленочных НЧ и
СВЧ ГИС, а также при изготовлении металлизации в п/п ИС.
Перед нанесением покрытий поверхность изделия тщательно очищают.
Недостаток метода – низкий коэффициент использования материала.
Магнетронное распыление. Один из самых современных методов
получения металлических пленок с высокой адгезией к поверхности.
Действие магнетронного распылителя основано на распылении материала мишени – катода при его бомбардировке ионами рабочего газа, образующими в плазме аномального тлеющего разряда.
Наиболее широко применяют планарные магнетроны.
Рис. 4.4 Схема планарной магнетронной распылительной системы:
1 – вакуумная камера; 2 – основание; 3 – трубопровод водяного охлаждения; 4 –
клемма; 5 – корпус; 6 – постоянные магниты; 7 – вакуумная камера; 8 – анод;
9 – зона эрозии; 10 – катод-мишень.
88
Мишень – катод 10 из распыляемого материала охлаждается проточной водой, поступающей по трубопроводу 3. На катод подается постоянное
напряжение (300 – 800 В) через клемму 4 от источника питания; под катодом расположена магнитная система, состоящая из центрального и периферийных постоянных магнитов 6, расположенных на основании из магнитомягкого материала. Все элементы смонтированы на корпусе 5, присоединенном к вакуумной камере 1, 7 изолирующими вакуум-плотными прокладками.
Основные режимы напыления: напряжение и сила тока разряда, давление рабочего газа, магнитная индукция.
Преимущество этого способа, по сравнению со способом испарения в
вакууме, высокая скорость напыления пленки, воспроизведение состава распыляемого материала и более высокая адгезия пленки.
Горячее распыление. Расплавленный металл распыляется сжатым
воздухом и осаждается на поверхности изделия. Посредством горячего распыления на поверхность любого материала можно нанести любое металлическое покрытие.
Покрытие наносят распылительным пистолетом. Ствол пистолета состоит из трех металлических трубок, вставленных одна в другую. По трубке
меньшего диаметра подается проволока из металла, который используется
для образования покрытия. По трубке среднего диаметра подается горючая
смесь газов: водорода и кислорода или ацетилена и кислорода. Между
наружной стенкой средней трубки и корпусом ствола, который представляет
третью трубку самого большого диаметра, подается под давлением азот или
углекислый газ. На конце корпуса ствола укреплена насадка с отверстием,
через которое разбрызгивается расплавленный металл.
Горячая металлизация. Горячая металлизация применяется нанесения покрытия на металлические изделия. Этим способом проводят горячее
лужение и цинкование путем погружения в расплавленный металл после
предварительной тщательной очистки его поверхностей от окислов и загрязнений.
4.3.4 Неметаллические химические покрытия
Из химических способов покрытия поверхности наиболее распространены оксидирование, фосфатирование и антикоррозионное азотирование.
Оксидирование - процесс создания окисной пленки исходного металла
на поверхности деталей. Химическое оксидирование – один из способов защиты от коррозии деталей из стали, меди алюминия и их сплавов.
Оксидирование проводят в щелочных и кислотных растворах при повышенной температуре.
Фосфатирование – химический процесс образования на поверхности
деталей пленки фосфатов. Для фосфатирования применяют главным обра89
зом растворы фосфорных солей марганца, цинка и железа и раствор фосфорной кислоты с добавками.
Полученные пленки имеют шероховатую поверхность, являются хорошим грунтом для лаков и красок.
Азотирование – состоит в насыщении поверхности стальных деталей
азотом в потоке аммиака при температуре 500 – 600ºС с образованием нитридов. Азотированию подвергают детали из малоуглеродистых сталей, работающих в средних и жестких условиях эксплуатации (например, оси под
посадку шарикоподшипников, зубчатые колеса, втулки, муфты и т.д.).
4.3.5 Металлические и неметаллические гальванические покрытия
При выборе способа защиты металлических деталей от коррозии путем нанесения гальванических покрытий из других металлов исходят из
электрохимических свойств металла в данной среде. Одним из этих свойств
является способность металла с определенной силой переходить в раствор в
указанной среде. Эта сила характеризуется электрохимическим потенциалом
в вольтах.
Величина электрохимического потенциала для различных металлов в
водной среде при pH =6:
Золото +0,306; Серебро +0,194; Титан +0,181; Латунь +0,145; Медь
+0,140; Бронза БрБ2 0,140; Никель 99,6 +0,118; Алюминий 99,5 -0,169; Олово анодное -0,175; Олово 98 -0,275; Свинец 99,9 – 0,283; Кадмий – 0,574;
Цинк, 100 мкм -0,807.
Из двух металлов, находящихся в контакте, более интенсивно будет
коррозировать тот, у которого более отрицательный потенциал.
Для предотвращения контактной коррозии необходим надлежащий
подбор пары металл – покрытие создающей минимальную разность потенциалов или надежную герметизацию зоны контакта полимерными покрытиями.
Гальваническое покрытие называется анодным, если в данной среде
электрохимический потенциал металла покрытия является более отрицательным, чем потенциал металла детали. В этом случае покрытие будет защищать металл детали даже в случае нарушения целостности покрытия.
Гальваническое покрытие называется катодным, если в данной среде
электрохимический потенциал металла покрытия является более положительным, чем потенциал металла детали. При нарушении целостности покрытия в этом случае будет разрушаться материал детали.
В зависимости от материала покрытия различают цинкование, кадмирование, меднение, никелирование, хромирование, покрытие сплавом оловосвинец, серебрение и золочение.
Цинкование типичное анодное покрытие, применяемое для защиты
черных металлов.
90
Кадмирование также применяется для защиты черных металлов, но в
химическом отношении более стоек, чем цинк и его применяют для покрытия резьбовых деталей.
Высокая стоимость и дефицитность кадмия ограничивает его использование.
Меднение как самостоятельный вид покрытия не применяется, так как
медь легко окисляется. Медное покрытие (3-25 мкм) используется в качестве подслоя перед нанесением никеля, хрома, олова, серебра и золота, а
также для покрытия деталей из черных металлов перед пайкой, лужением
или сваркой.
Никелирование дает покрытия, обладающие высокой твердостью и
применяют главным образом как защитно-декоративные. На воздухе никелевое покрытие изменяется незначительно, тем не менее, оно не имеет особых преимуществ по сравнению с цинковым или другими покрытиями. Поэтому в радиоаппаратуре никелирование следует применять только для деталей, находящихся снаружи (например, на лицевых панелях), где требуются декоративно-защитные покрытия.
Хромирование используют для защиты от коррозии стальных, медных,
алюминиевых деталей и никеля, а также для повышения отражательной способности поверхностей деталей, износоустойчивости, жаростойкости и
твердости. Хромовые покрытия обладают высокой стойкостью при работе
на трение, хорошо полируются и не тускнеют при нагревании до 300ºС. Однако они имеют трещины и поры, поэтому требуют наличия подслоя из меди или никеля, без которого они не могут надежно защищать стальные детали от коррозии.
Покрытие сплавами олово-свинец (электролитическое лужение) применяется для защиты деталей из стали, меди и ее сплавов от коррозии, а
также для подготовке поверхности к пайке. Луженые покрытия хорошо противостоят воздействию паров серы. Электролитические покрытия из сплавов
олово-свинец обладают хорошим сцеплением с металлом детали, выдерживают изгибы и вытяжку.
Серебрение и золочение применяют лишь в случаях, когда никакие
другие покрытия не удовлетворяют требованиям к антикоррозионной защите деталей; серебрение используют также для повышения электропроводности поверхностных слоев токоведущих деталей и элементов радиоаппаратуры (например, СВЧ волноводов), а золочение – для электрических контактов, где недопустимо повышение или изменение переходного сопротивления. Для повышения твердости золотого покрытия применяют золочение с
добавкой 0,17% никеля. Однако следует учесть, что незначительные добавки
никеля могут существенно уменьшить электропроводность. Эти покрытия
наносятся, например, на медь, ее сплавы. Серебро легко реагирует с сернистыми соединениями, поэтому рядом с такими деталями нельзя размещать
детали из эбонита, содержащие серу.
91
Из числа неметаллических гальванических покрытий, в производстве
РЭА широко применяют анодирование (электрохимическое оксидирование)
и фосфатное электрохимическое оксидирование алюминия.
Оксидные пленки, полученные анодированием, надежно защищают
алюминий от коррозии, хорошо адсорбируют красители при окрашивании
деталей в различные цвета в декоративных целях. Оксидные пленки на алюминии отличаются большой твердостью и хорошо сопротивляются износу
при трении; пленки имеют высокие электроизоляционные свойства.
Алюминиевые детали, работающие в тяжелых климатических условиях, следует после анодирования покрывать особо стойкими эмалями. Твердость закрепленной красителями пленки достигает твердости хромового покрытия. К анодированным поверхностям нельзя производить соединения
пайкой, электрической сваркой без предварительного удаления с них оксидного слоя.
Фосфатное оксидирование алюминия и его сплавов осуществляется в
электролите, в состав которого входит фосфорная кислота, хромовый ангидрид и фтористый натрий. При этом образуется пленка серо-зеленого цвета
толщиной 5-7 мкм, обладающая высокими антикоррозионными свойствами.
4.3.6 Лакокрасочные покрытия
Лакокрасочные покрытия представляют собой пленку лака или краски, нанесенную в один или несколько слоев на поверхность детали и высушенную при определенном режиме. Основой лакокрасочного покрытия является органическое пленкообразующее вещество и пигмент. Эти покрытия
в большинстве случаев более удобны для нанесения, выгоднее по стоимости
работ и часто более долговечны, чем металлические или другие виды покрытий. Лакокрасочные покрытия обладают высокими антикоррозионными
свойствами и их можно наносить на большие поверхности.
Лакокрасочные покрытия не применяют для деталей подвергаемых
значительным механическим воздействиям (вибрациям, изгибам и т.п.),
имеющих поверхности трения и скольжения, нагреваемые до температуры
выше 250ºС или имеющие точные посадочные размеры.
Для повышения качества покрытия необходимо правильно выбрать
материал для грунтования и количество слоев.
Для правильного выбора покрытия конструктор должен знать условия
эксплуатации.
4.4 Герметизация ЭС
4.4.1 Способы герметизации и технологические требования, предъявляемые к качеству
ЭС эксплуатируются в различных климатических условиях и на
надежность их работы оказывают влияние такие параметры окружающей
среды, как температура, влажность, наличие микроорганизмов, пыли, ради92
ации. Под действием температуры происходит деструкция изоляционных
материалов, которая сопровождается снижением физико-механических характеристик, выделением веществ, увеличением жесткости и хрупкости, а
так же усиливается влияние других факторов.
Влага, содержащаяся в среде, проникает в микроскопические и субмикроскопические поры материалов и заметно ухудшает их свойства вызывает возрастание диэлектрических потерь, возрастание паразитных емкостей, снижение сопротивления изоляции, снижение магнитных характеристик. При продолжительном воздействии, это приводит к нарушению работы электрических цепей.
Нарушение работы электрических цепей связано с тем, что молекулы
воды обладают способностью растворять в себе углекислый газ, сернистые и
другие соединения, вызывая химическую и электрохимическую коррозию
металлических слоев. Существенный вклад в эти процессы вносят микроорганизмы (плесневые грибы, бактерии), которые выделяют продукты обмена,
состоящие преимущественно из различного вида органических кислот.
Находящаяся в атмосфере пыль легко распространяется в пространстве, оседает на поверхности материалов ЭС и проникает внутрь изделия
через не плотные соединения. Она адсорбирует влагу, служит сборником
органических веществ, которые ускоряют коррозию металлов.
Влияние солнечной радиации заключается в воздействии теплового и
ультрафиолетового излучения, приводящих к окислению и химическому
разложению полимеров и изменению электрических свойств материалов.
Для защиты ЭС от климатических воздействий широко применяется
герметизация отдельных элементов сборочных единиц и всего изделия в целом. Она позволяет стабилизировать процессы, происходящие на поверхности или в объеме изделий, а, следовательно, и его параметры при изменении
состояния окружающей среды.
Все методы герметизации можно условно разделить на две группы
1)
бескорпусную герметизацию
2)
корпусную герметизацию.
К первой группе относится: пропитка, обволакивание, пассивирование. Ко второй – герметизация изделий в корпусах из неорганических материалов, литьевым прессованием, заливкой и капсулированием.
В независимости от метода герметизации, для обеспечения качества и
эффективности процессов необходимо выполнять следующие условия
1)
перед влагозащитой тщательно очистить изделия от всех видов
загрязнений и полностью удалить присутствующую в них влагу
2)
при выборе материалов предпочтение следует отдавать химически чистым материалам с низким значением влагопроницаемости и высокой
93
нагревостойкостью, в которых отсутствуют релаксационные процессы образования поверхностных зарядов
3)
температурные коэффициенты линейного расширения герметизирующих материалов, материалов корпусов и электрических выводов
должны быть максимально сближены
4)
режим отверждения герметичных материалов необходимо выбирать в зависимости от температуры эксплуатации изготовленных изделий с
учетом нагревостойкости применяемых материалов и предельно допустимой
температуры ЭРЭ
5)
остаточные напряжения не должны превышать прочности на
разрыв герметизирующего материала изделия чувствительные к механическим усилиям, возникающих при отвердении, рекомендуется покрывать
демпфирующим слоем из эластичного материала
6)
в процессе эксплуатации герметизированных изделий должен
быть обеспечен нормальный температурный режим
7)
процессы приготовления герметизирующих смесей не должны
загрязнять исходные материалы, а используемые растворители должны быть
удалены при полимеризации.
Выбор оптимального ТП герметизации ЭС зависит от степени устойчивости изделия влиянию климатических факторов, от условий эксплуатации изделия, а так же от экономических факторов.
4.4.2 Материалы, применяемые для герметизации
В промышленности разработано огромное количество герметизирующих материалов, сведения о которых можно найти в отраслевых стандартах
и специальной литературе.
Герметизирующие материалы должны обладать приемлемыми технологическими свойствами, к которым относятся скорость отверждения, возможность полимеризации при пониженной температуре без применения
внешнего давления, отсутствие усадки и летучих веществ, длительная жизнеспособность, не токсичность.
Основную часть материалов, использующихся для герметизации, составляют органические полимеры и композиции на их основе термопластичные и термореактивные. Они характеризуются доступностью сырья,
простотой переработки, широким диапазоном свойств, возможностью автоматизации ТП, экономичностью. К числу наиболее важных термопластичных материалов относятся полиэтилен, полистирол, фторопласты, полиамиды, которые обладают высокими диэлектрическими и механическими
свойствами.
Термореактивные материалы имеют более высокую нагревостойкость
по сравнению с термопластичными и находят широкое применение при гер94
метизации изделий. Они образуются на основе поликонденсационных смол
(фенолоальдегидных, полиэфирных, эпоксидных), полиуретанов, кремний
органических материалов, каучуков и их сочетаний.
Для герметизации используются и неорганические материалы, которые практически не адсорбируют влагу, обладают высокой нагревостойкостью и стойкостью к воздействию механических нагрузок, не выделяя летучих соединений. Из этих материалов изготавливают вакуум плотные корпуса (металлические, стеклянные, керамические) или наносят защитные покрытия (легкоплавкие халькоинидные стекла, оксидные пленки кремния или
алюминия, нитриды кремния). Использование таких корпусов усложняет
сборку и герметизацию изделий, вызывает повышенный расход материала,
затрудняет механизацию процесса.
Электрические высокочастотные и высоковольтные выводы к аппаратуре осуществляют через проходные стеклянные и керамические изоляторы.
Низкочастотные цепи отдельных герметизированных блоков соединяют с
помощью герметизированных разъемов.
Герметичные соединения отдельных деталей могут быть получены
следующими способами: пайкой швов и изоляторов припоями, электроконтактной или дуговой сваркой, холодной сваркой, уплотняющими прокладками из вакуум-плотной резины.
Внутри корпуса создают пониженное или повышенное давление и в
отдельных случаях (например, в СВЧ микросборках), корпус заполняют сухим инертным газом.
Качество герметизации при избыточном давлении внутри корпуса
контролируют жидкостным методом, погружая корпус в жидкость. При отсутствии герметичности в месте, где герметичность нарушена, наблюдается
выделение пузырьков газа. Если требуется высокая степень герметичности,
то герметичность корпуса проверяется с помощью гелиевого течеискателя.
При этом корпус подсоединяется к течеискателю и обдувается гелием.
Герметизация в вакуум – плотные корпуса с использованием неорганических материалов является наиболее эффективным способом защиты
РЭА от воздействия климатических факторов и повышения ее надежности.
Однако этот способ применяется в максимальных случаях, когда к изделию
предъявляются особенно жесткие требования.
Пленочные покрытия имеют малую толщину (0,5...10 мкм) и используют для стабилизации параметров полупроводниковых приборов и ИМС на
стадии производства.
По виду герметизирующие полимерные материалы разделяют на лаки,
эмали, компаунды. Пропиточные лаки состоят из пленкообразующих веществ (масел натуральных или синтетических смол) и растворителей, в которые при необходимости вводят пластификаторы, ускорители отвердения
(сиккативы), фунгициды (противогрибковые вещества).
95
Для влагозащиты ПП, гибких кабелей, высокочастотных ячеек, разработаны специальные лаки УР-231, ЭП 9114, ЭП-730, ФЛ-582, ФП-525.
Высокое содержание растворителей в лаках не дает возможности получить хорошее заполнение пор и пустот, вызывают трудности при сушке,
усложняют ТП, делают его пожаро - и взрывоопасным, поэтому в последнее
время их заменяют маловязкими составами без растворителей. К ним относятся эпоксидные (ЭПК-5,ЭПК-6); эпоксидно-метакриловые (КП-101,КП103,ЭПМ-1,ЭПМ-2); полиуретановые (КТ-102) и другие.
Компаунды представляют собой механические смеси, не содержащие
растворителей, на основе полимерных материалов, отвердителей, наполнителей, пластификаторов, пигментов и др. специальных добавок.
Самое широкое распространение получили эпоксидные компаунды.
Это связано с их высокими техническими свойствами хорошей адгезией к
различным материалам малой усадкой (0,4...0,6 %) высокой электропрочностью мало изменяющейся при увлажнении и нагревании высокой механической прочностью малой влагопроницаемостью.
Порошковые герметизирующие материалы, изготовленные на основе
эпоксидно–кремнийорганических и полиэфирных смол, характеризующихся
не только высокими техническими свойствами, но и технологичностью. Для
их нанесения используются высокопроизводительные автоматизированные
методы (напыление, опрессовка), которые встраиваются в общую линию
сборки и монтажа ЭВС, быстро отверждаются (до 5 минут с последующей
термообработкой), перерабатываются при малых удельных давлениях
(0,5...5 МПа). Поставка потребителям производится в готовом для применения виде. Возможен длительный срок хранения и получения покрытий с
широким диапазоном толщины (0,2...3 мм).
Для герметизации методом напыления используют порошкообразные
компаунды ЭП-49С, ПЭП-177, ЭПВ-10 быстроотверждаемые опрессовочные компаунды “премиксы” КЭП-2, КФ-1, ЭКП-200, ЭФП-63.
Порошкообразные материалы применяют для герметизации ЭРЭ,
ГИМС и др., работающих в условиях тропического климата.
Пено-компаунды – это газонаполненные полимерные материалы,
имеющие ячеистую структуру, образованную замкнутыми парами. Вспенивание происходит под действием газов, выделяющихся в результате взаимодействия компонентов, после чего гранулы спекаются при температуре
60...180˚С. Они применяются для повышения тепло -, звуко- и электроизоляционных свойств изделий влаго - и вибростойкости, устойчивости к действию масел, щелочей, грибковой плесени отдельных элементов, сборочных
единиц и блоков ЭС, для механической фиксации их в аппаратуре.
96
К этой группе герметизирующих материалов относятся пенополиуретаны (ПУ-101Е, ПГУ-ЗМ-1), вспенивающийся полистирол (ПСВ), кремнийорганический пенопласт (К-40) и др.
Эмалями называются составы, в которые, кроме пленкообразующих
веществ, введены частицы наполнителей и пигменты. Они широко применяются при отделочных работах при герметизации изделий.
Структура процесса герметизации приведена на рис. 4.5
Входной контроль материалов и изделий
Подготовка герметизируемых изделий
Подготовка форм,
капсул, корпусов
Приготовление
герметизирующего
состава
Герметизация изделий
Контроль качества
герметизации
Рис.4.5. Структура герметизации изделий ЭС
97
Глава 5. ТЕХНОЛОГИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
С приходом на рабочие места инженеров-разработчиков и конструкторов персональных ЭВМ, оснащенных системами автоматического проектирования (САПР) произошел качественный скачок в производительности
труда при разработке и изготовлении такой продукции как модули ЭС на
печатных платах (ПП). При этом оказывается возможным сосредоточить
весь процесс проектирования на одном рабочем месте, т.е. отойти от традиционного распределения ролей между участниками проектирования схемы,
конструкции и технологии. Это особенно актуально для фирм с малочисленным персоналом, где по экономическим соображениям невыгодно содержать отдельные конструкторские и технологические службы. В таких
условиях специалист, берущийся за разработку модулей РЭА от электрической схемы до ее конструктивного воплощения, должен обладать знаниями
из смежных областей, в частности, знать технологию ПП.
5.1 Виды печатных плат и конструкционные материалы
для их производства.
Печатные платы - это элементы конструкции, которые состоят из
плоских проводников в виде участков металлизированного покрытия, размещенных на диэлектрическом основании и обеспечивающих соединение
элементов электрической цепи.
Печатные платы получили широкое распространение в производстве
модулей, ячеек и блоков РЭА благодаря следующим преимуществам по
сравнению с традиционным объемным монтажом проводниками и кабелями:
повышение плотности размещения компонентов и плотности
монтажных соединений, возможность существенного уменьшения габаритов
и веса изделий;
получение печатных проводников, экранирующих поверхностей
и электро- и радиодеталей (ЭРЭ) в одном технологическом цикле;
гарантированная стабильность и повторяемость электрических
характеристик (проводимости, паразитных емкости и индуктивности);
повышение быстродействия и помехозащищенности схем;
повышенная стойкость и климатическим и механическим воздействиям;
унификация и стандартизация конструктивных и технологических решений;
увеличение надежности узлов, блоков и устройства в целом;
улучшение технологичности за счет комплексной автоматизации
монтажно-сборочных и контрольно-регулировочных работ;
снижение трудоемкости, материалоемкости и себестоимости.
К недостаткам следует отнести сложность внесения изменений в конструкцию и ограниченную ремонтопригодность.
98
Элементами ПП являются диэлектрическое основание, металлическое
покрытие в виде рисунка печатных проводников и контактных площадок,
монтажные и фиксирующие отверстия.
Виды печатных плат. Основными видами печатных плат (ПП) являются однослойные ПП (ОПП), двусторонние ПП (ДПП), многослойные ПП
(МПП), гибкие ПП (ГПП), гибкие печатные кабели (ГПК).
ОПП представляет собой основание, на одной стороне которого выполнен проводящий рисунок, а на другой размещаются электрорадиоэлементы (ЭРЭ) и интегральные микросхемы. Для соединения выводов навесных элементов с печатными проводниками служат монтажные отверстия и
контактные площадки. Металлизированные контактные отверстия обеспечивают более надежное соединение.
ДПП имеет одно основание, на обеих сторонах которого выполнены
проводящие рисунки и все необходимые соединения. Переход токопроводящих линий с одной стороны на другую осуществляется металлизированными монтажными отверстиями.
МПП состоит из чередующихся слоев изоляционного материала с
проводящими рисунками на двух и более слоях, между которыми выполнены требуемые соединения.
МПП позволяет уменьшить габаритные размеры, вследствие повышения плотности монтажа, и трудоемкость выполнения монтажных соединений. При этом хорошо решается задача пересечения и распределения проводников. Однако технологический процесс изготовления МПП является
сложным и трудоемким.
Многослойные печатные платы обеспечивают возможность передачи
наносекундных сигналов без искажения за счет наличия экранирующих слоев и изоляционных прокладок между сигнальными слоями, короткие электрические связи, возможность увеличения числа слоев без значительного
возрастания продолжительности технологического цикла и стоимости, возможность электрического экранирования, устойчивость к внешним воздействиям и др.
Недостатками МПП являются: малая площадь контакта сквозного металлизированного отверстия с торцами контактных площадок внутренних
слоев, что может привести к разрыву электрических цепей при пайке ЭРИ
или в процессе эксплуатации при механических и термических воздействиях; низкое качество химической меди, которую применяют в качестве подслоя перед гальваническим меднением элементов печатного рисунка; значительная разница ТКЛР меди, диэлектрика и смолы и пр.
МПП различаются по конструкции.
- с открытыми контактными площадками;
- с выступающими выводами;
- попарного прессования;
- послойного наращивания.
99
Особенностью конструкции МПП с открытыми контактными площадками является отсутствие электрической связи между слоями и ее появление
только после установки и пайки выводов ЭРИ к контактным площадкам любого из слоев (рис. 5.1). Каждый слой (их может быть более 20-ти) изготавливают на одностороннем фольгированном диэлектрике химическим негативным методом. Отверстия в слоях получают штамповкой. После сборки,
совмещения и склеивания слоев клеем БФ-4 на специальном приспособлении обеспечивается доступ к контактным площадкам внутренних слоев. Для
увеличения площади контакта диаметр контактной площадки должен быть
больше диаметра отверстия.
Рис. 5.1 Конструкция МПП с открытыми контактными площадками: 1 – открытые
контактные площадки, 2 – печатный проводник, 3 – слой диэлектрика
К достоинствам МПП с открытыми контактными площадками следует
отнести большое число слоев, ремонтопригодность, а к недостаткам — невысокий класс точности (3-й).
В многослойных ПП с выступающими выводами электрическая связь
между слоями выполняется с помощью печатных проводников внутренних
слоев, отогнутых на наружный слой МПП и закрепленных изоляционными
вкладками (рис. 5.2).
Рис. 5.2. Конструкция МПП с выступающими выводами: 1-накладка; 2 — контактная
площадка; 3 — выступающий вывод; 4 — печатный проводник
К преимуществам данного метода данной конструкции относятся:
большое число слоев (до 15-ти); высокая механическая прочность; возможность параллельного выполнения операций.
100
При изготовлении МПП методом попарного прессования (рис. 5.3)
сначала получают две ДПП с металлизированными отверстиями комбинированным негативным методом, затем их прессуют вместе с размещенной
между ними изоляционной склеивающей прокладкой. После сверления в
полученном полупакете сквозных отверстий получают рисунок наружных
слоев и сквозные металлизированные отверстия. Затем эти полупакеты
прессуют, сверлят сквозные отверстия и получают рисунок наружных слоев
и металлизированные отверстия комбинированным позитивным методом.
Таким образом, осуществляют электрические соединения между наружнымппи и внутренними слоями МПП.
Рис. 5.3. МПП, изготовленная методом попарного прессования
К недостаткам метода попарного прессования можно отнести: длительный технологический цикл последовательного выполнения операций;
большое количество химико-гальванических операций и др.
При изготовлении МПП методом послойного наращивания (рис. 5.4)
сначала на первый слой перфорированного диэлектрика напрессовывается
медная фольга с одной стороны, затем проводится операция химикогальванического меднения. При этом медь полностью заполняет отверстия в
диэлектрике и осаждается на поверхности диэлектрика, свободной от фольги. На этом сформированном проводящем слое выполняется рисунок схемы
химическим негативным методом. Затем напрессовываетя второй слой перфорированного диэлектрика, проводится химико-гальваническое меднение
отверстий и на поверхности диэлектрика выполняется рисунок второго слоя
и т. д. Связь между слоями осуществляется при помощи столбиков меди в
отверстиях.
Рис. 5.4. МПП, изготовленная методом послойного наращивания
101
ГПП имеют гибкое основание. По расположению проводников она
аналогична ОПП или ДПП.
ГПК состоит из тонких полосок проводящего материала (обычно меди), расположенных параллельно и заклеенных между двумя пленками изоляционного материала. Число проводников может быть от 2 до 50. Их ширина и межцентровые расстояния сопрягаются со стандартными разъемами.
Они применяются для соединений узлов и блоков РЭА, занимают меньшие
объемы и легче круглых жгутов и кабелей, а их производство может осуществляться непрерывно на рулонном материале.
По виду материала основы ПП разделяют на
изготовленные на основе органического диэлектрика (текстолит, гетинакс, стеклотекстолит);
изготовленные на основе керамических материалов;
изготовленные на основе металлов.
По виду соединений между слоями различают ПП с металлизированными отверстиями, с пистонами, изготовленные послойным наращиванием,
с открытыми контактными площадками.
По способу изготовления ПП разделяют на платы, изготовленные химическим травлением, электрохимическим осаждением, комбинированным
способом.
По способу нанесения проводников ПП делят на платы, полученные
обработкой фольгированных диэлектриков, нанесением тонких токопроводящих слоев. Последний способ хорошо отработан на технологии гибридных схем.
Широкое распространение получают МПП на керамической основе.
По сравнению с органическими диэлектриками керамика позволяет улучшить теплоотвод, повысить плотность компоновки микросхем (особенно с
использованием микрокорпусов). К недостаткам керамических МПП следует отнести их большую массу и небольшие максимальные линейные размеры (ограничены технологией порядка 150 х 150 мм).
Металлические ПП изготавливаются на основе стальных, алюминиевых и инваровых листов. Пластины окисляются и покрываются слоем керамики, эмали, лака или другого диэлектрика. Поверх наносятся печатные
проводники, пленочные резисторы, конденсаторы, индуктивности, а затем
монтируются микросхемы (как правило, бескорпусные). Преимущества сравнительно невысокая стоимость, неограниченные размеры, высокая теплопроводность, высокая помехозащищенность, высокая прочность и теплостойкость. Недостатки - высокая удельная емкость проводников и большая
масса.
Конструкционные материалы для производства печатных плат.
Печатные платы выполняют прямоугольной формы. Максимальный
размер любой из сторон не должен превышать 470 мм. При увеличении размеров плат снижается их жесткость и виброустойчивость.
102
Основание ПП изготавливают из изоляционного материала, который
должен: хорошо сцепляться с металлом проводников, иметь диэлектрическую проницаемость не более 7 (для уменьшения паразитных емкостей
между печатными проводниками), малый тангенс угла диэлектрических потерь, обладать достаточно высокой механической и электрической прочностью, допускать возможность обработки резанием и штамповкой, сохранять
свои свойства при воздействии климатических факторов, а также в процессе
создания рисунков проводников и пайки. Таким требованиям удовлетворяют гетинакс и стеклотекстолит и некоторые другие фольгированные и
нефольгированные материалы.
Для изготовления ПП широкое распространение получили слоистые
диэлектрики, состоящие из наполнителя и связующего вещества (синтетической смолы, которая может быть термореактивной или термопластичной),
керамические и металлические (с поверхностным диэлектрическим слоем)
материалы. Выбор материала определяется электроизоляционными свойствами, механической прочностью, обрабатываемостью, стабильностью параметров при воздействии агрессивных сред и изменяющихся климатических условий, себестоимостью. Большинство диэлектриков выпускается
промышленностью с проводящим покрытием из тонкой медной электролитической фольги, которая для улучшения прочности сцепления с диэлектрическим основанием с одной стороны оксидирована или покрыта слоем хрома (1-3 мкм). Толщина фольги стандартизирована и имеет значения 5, 18, 35
и 50, 70, 105 мкм. Фольга характеризуется высокой чистотой состава
(99,5%), пластичностью, высотой микронеровностей 0,4-0,5 мкм.
В качестве основы в слоистых пластиках используют электроизоляционную бумагу или стеклянную ткань. Их пропитывают фенольной или фенолэпоксидной смолой. Фольгирование диэлектриков с одной или с двух
сторон осуществляют прессованием при температуре 160-180 °С и давлении
5-15 МПа. Фольгированные слоистые диэлектрики поставляются в виде листов размерами от 400 до 1100 и толщиной 0,06-3 мкм. Их используют при
субтрактивных методах изготовления ПП и МПП. Гетинакс, обладая удовлетворительными электроизоляционными свойствами в нормальных климатических условиях, хорошей обрабатываемостью и низкой стоимостью,
нашел применение в производстве несложной РЭА. Для ПП, эксплуатирующихся в сложных климатических условиях, используют более дорогие, обладающие лучшими техническими характеристиками стеклотекстолиты.
Они отличаются широким диапазоном рабочих температур (-60 ... +150°С),
низким (0,2-0,8%) водопоглощением, высокими значениями объемного и
поверхностного сопротивлений, стойкостью к короблению. Наличие в коммутирующих устройствах мощных цепей питания и блоков высокого
напряжения увеличивает опасность возгорания ПП. Повышение огнестойкости диэлектриков достигается введением в их состав антипиренов.
Ниже в таблице представлены материалы основания ПП, наиболее часто используемые в настоящее время для изготовления ОПП, ДПП.
103
Толщина,
Материал
мм
1,0; 1,5; Диэлектрик фольги2,0; 2,5; рованный общего
Гетинакс фольгированГФ-1-35 3,0
назначения с гальный
ваностойкой фольгой
Гетинакс фольгирован- ГФ-1-35Г
Диэлектрик фольгиный с гальваностойкой ГФ-2-35Г
рованный самозатуфольгой
ГФ-1-50Г
хающий с гальваноГФ-2-50Г
стойкой фольгой
Материал
Марка
Стеклотекстолит фольСФ-1-35
гированный
0,5; 1,0;
СФ-2-35
1,5; 2,0;
СФ-1-50
2,5; 3,0
То же с гальваностой- СФ-2-50
кой фольгой
СТФ-1Стеклотекстолит тепло- 35 СТФстойкий фольгирован- 2-35
ный с гальваностойкой СТФ-1фольгой
18 СТФ2-18
0,08; 0,1;
0,13; 0,2;
0,15; 0,3;
0,25; 0,5;
0,35; 0,8;
1,5; 2,5;
1; 2;3
СТНФ-1Стеклотекстолит тепло- 35
стойкий и негорючий
СТНФ-2фольгированный с галь- 35
ваностойкой фольгой
СТНФ-118
СТНФ-2- 1;2
Стеклотекстолит листо- СТЭФ-118
вой
2ЛК
Стеклотекстолит электротехнический
Стеклотекстолит
фольгированный с
повышенной нагревостойкостью
Стеклотекстолит
фольгированный
общего назначения
Гетинакс фольгированный общего
назначения
Стеклотекстолит с
двусторонним адгезионным слоем
Толщина,
мм
ДФО-1, ДФО-2 0,06-2,0
(фольга 35
мкм)
ДФС-1, ДФС-2
(фольга 20
мкм)
Марка
СФПН-1-50
СФПН-2-50
0,5; 1,0;
1,5; 2,0;
2,5; 3,0
СОНФ-1
СОНФ-2
—
ГОФ-1-35Г
ГОФ-2-35Г
—
СТЭК
1,0; 1,5
Стеклотекстолит
СТПА-5-1
теплостойкий, армиСТПА-5-2
0,1-2,0
рованный алюмини(фольга 5 мкм)
евым протектором
Стеклотекстолит с
катализатором
СТАМ
Фольгированный
ФАФ-4
армированный фто- (фольга 35
ропласт
мкм)
СТЭФВК-1-1,5
0,7-2,0
—
СТАЛ (фольга
5, 18, 35, 50, 70 —
и 100 мкм на
медном или СФ-2-35 и
Фольгированные стеклотекстолиты марки СФ (СФ-1-35,
алюминиевом
др.) рекомендуются для изготовления ПП, эксплуатируемых
при t0 до 120
протекторе)
0
Стеклотекстолит фольгированный теплостой- СТФТ
кий
—
Стеклотекстолит
теплостойкий
С. Более высокими физико-механическими свойствами и теплостойкостью
обладает стеклотекстолит марок СФПН-1-50, СФПН-2-50.
Для МПП и ГПП применяют теплостойкий диэлектрик марок СРФ-1,
СТФ-2 и травящийся стеклотекстолит марок ФТС-1, ФТС-2.
В наименовании марки материала буквы означают: Г – гетинакс; С –
стеклотекстолит; Т – теплостойкий; О – общего назначения; Н – негорючий
или нормированной горючести; Ф – фольгированный; 1 – 2 – облицован104
ный фольгой с одной стороны или двух сторон; цифры: 5, 9, 12, 18, 35, 50,
70, 100, 105 – толщину фольги в мкм.
По сравнению с гетинаксами стеклотекстолиты имеют лучшие механические и электрические характеристики, более высокую нагревостойкость, меньшее влагопоглощение. Однако у них есть ряд недостатков: худшая механическая обрабатываемость; более высокая стоимость; существенное различие (примерно в 10 раз) коэффициента теплового расширения меди
и стеклотекстолита в направлении толщины материала, что может привести
к разрыву металлизации в отверстиях при пайке или в процессе эксплуатации.
Для изготовления ПП, обеспечивающих надежную передачу наносекундных импульсов, необходимо применять материалы с улучшенными диэлектрическими свойствами (уменьшенным значением диэлектрической
проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь). Поэтому к перспективным относится применение оснований ПП из органических материалов с относительной диэлектрической проницаемостью ниже 3,5.
Нефольгированные диэлектрики применяют при полуаддитивном и
аддитивном методах производства ПП. Для улучшения прочности сцепления металлического покрытия с основанием на его поверхность наносят
тонкий (50-100 мкм) полуотвержденный клеевой слой (например, эпоксидкаучуковую композицию). Введение в лак, пропитывающий стеклоткань,
0,1-0,2 мас. % палладия, смеси палладия с оловом или закиси меди незначительно снижает сопротивление изоляции, но повышает качество металлизации.
Соединение отдельных слоев МПП осуществляют специальными
склеивающими прокладками, которые изготавливают из стеклоткани, пропитанной недополимеризованной эпоксидной смолой. Содержание смолы в
прокладках должно быть в пределах 42-52%, а летучих веществ не более
0,75 %. Длительное сохранение клеящих свойств межслойных прокладок
достигается их консервацией в герметически упакованных полиэтиленовых
мешках при пониженной (+10°С) температуре.
Для производства печатных кабелей применяют армированные фольгированные пленки из фторопласта-4 и полиэфирные пленки. Прямое прессование медной фольги с термопластичным основанием позволяет добиться
геометрической стабильности материала при кратковременном изменении
температуры до 180-200 °С. Более высокой термостабильностью (до 250 °С),
прочностью на растяжение, несгораемостью, радиационной стойкостью, а
также способностью к равномерному травлению в щелочных растворах обладают полиимидные пленки, но высокая стоимость и водопоглощение
ограничивают их широкое применение коммутационными ДПП и МПП в
микроэлектронной аппаратуре. Термопластичные материалы, обладающие
повышенной текучестью, используются при изготовлении рельефных ПП. К
ним относятся сложные композиции, основу которых составляют полиэфирсульфоны и полиэфиримиды. Введение в пластмассы стеклянного наполнителя увеличивает их рабочую температуру до 260 °С, что позволяет прово105
дить пайку монтируемых элементов расплавлением дозированного припоя в
паровой фазе.
В качестве основы для ПП СВЧ-диапазона используют неполярные
полимеры (фторопласт, полиэтилен, полипропилен), полярные (полистирол,
полифениленоксид) и их сополимеры. Направленное изменение свойств
термопластичных материалов достигается наполнением (алунд, двуокись
титана), армированием (стеклоткань) и плакированием (медная фольга).
В настоящее время наиболее распространённым во всем мире базовым
материалом для производства двухсторонних и многослойных печатных
плат, а так же для производства односторонних печатных плат с повышенными требованиями к механической прочности является стеклотекстолит
фольгированный марки FR-4. Стандартный FR-4 представляет собой композитный материал на основе стекловолокна (стеклотекстолит). Стандартный
FR-4 толщиной 1,6 мм состоит из восьми слоев ("препрегов") стеклотекстолита.
Керамические материалы характеризуются высокой механической
прочностью, которая незначительно изменяется в диапазоне температур 20700 °С, стабильностью электрических характеристик и геометрических параметров, низким (0-0.2%) водопоглощением и газовыделением при нагреве
в вакууме, хрупкостью и высокой стоимостью. Промышленность выпускает
их в виде пластинок размером от 20х16 до 60х48 мм с высотой микронеровностей 0,02-0,1 мкм и разнотолщинностью ±0,01-0,05 мм. Они предназначены для изготовления одно- и многослойных коммутационных плат микросборок для СВЧ диапазона.
Металлические платы примеПрняются в изделиях с большой токовой
нагрузкой, работающих при повышенных температурах. В качестве основы
используется алюминий или сплавы железа с никелем. Изолирующий слой
на поверхности алюминия получают анодным оксидированием. Варьируя
состав электролита и режим электролиза, можно формировать оксидные
пленки толщиной от нескольких десятков до сотен микрон с сопротивлением изоляции 109-1010 0м. На стальных основаниях изолирование токопроводящих участков осуществляют с помощью специальных эмалей, изготавливаемых в виде тонких пленок. В состав эмалей входят оксиды магния, кальция, кремния, бора, бериллия, алюминия или их смеси, связка (поливинилхлорид, поливинилацетат или метилметакрилат) и пластификатор. Пленка
соединяется с основанием путем прокатки между вальцами с последующим
вжиганием. Таким образом, можно создавать многослойные структуры с
различными механическими и электрическими характеристиками.
Для изготовления ГПК, выдерживающих многократные (до 150) изгибы на 90° с радиусом 3 мм, применяют фольгированный лавсан и фторопласт. Материалы с толщиной фольги 5 мкм позволяют изготовить ПП 4-го
и 5-го классов точности.
106
Конструктивно-технологические требования к печатным платам.
Допустимую токовую нагрузку на элементы проводящего рисунка в
зависимости от допустимого превышения температуры проводника относительно температуры окружающей среды выбирают (ГОСТ 32751-86)
для фольги – от 100 до 250 А/мм2
для гальванической меди – 60...100 А/мм2
что значительно больше плотности тока допустимой для круглых проводников.
По плотности проводящего рисунка печатные платы и ГПП делятся на
пять классов (ГОСТ 32751-86) . Первый характеризуется наименьшей плотностью поводящего рисунка, а пятый наиболее высокой. Наименьшие номинальные значения ширины печатных проводников и пробельных участков
для плат первого класса составляют 0,75 мм, а для пятого – 0,1 мм.
Форма, протяженность и расположение печатных проводников могут
быть произвольными в зависимости от конструктивных особенностей схемы. Однако во всех случаях не допускаются резкие перегибы, острые углы и
переходы резкое изменение ширины и острые углы снижают механическую
прочность сцепления проводников с основанием и в процессе нагрева при
пайке возможно отслоение.
Соединения металлических проводников с навесными элементами
осуществляется контактными отверстиями и контактными площадками
круглой, прямоугольной и другой формы. Для образования контактной
площадки проводник в местах пайки расширяется до диаметра на 2,5...3 мм
больше диаметра контактного отверстия. Если расстояние с соседними проводниками не большое, то допускается срез.
Диаметры монтажных и переходных отверстий, металлизированных и
не металлизированных, должны соответствовать ГОСТ 10317 - 79, который
устанавливает ряд отверстий от 0,4 до 3,0 мм с шагом 0,1 мм. Из этого ряда
исключаются диаметры отверстий 1,9 и 2,9 мм.
На одной ПП не рекомендуется иметь более 3-х значений диаметров
разных отверстий, т.к. это затрудняет их обработку в связи с необходимостью частой смены инструмента.
Правила выполнения чертежей ПП определены Гост 10317-79. Основной шаг координатной сетки 2,5 мм. При использовании шага, менее основного, следует применять шаг равный 1,25 0,625; 0,5 мм.
С 1 января 1998 г. для размещения соединений на ПП основным шагом координатной сетки является шаг 0,5 мм в обоих направлениях. Если
координатная сетка с номинальным шагом 0,5мм не удовлетворяет требованиям конкретной конструкции, то должна применяться координатная сетка с
основным шагом 0,05 мм. Для конкретных конструкций, использующих
элементную базу с шагом 0,625 мм, допускается применение шага координатной сетки 0,625 мм. Шаг координатной сетки выбирают в соответствии с
107
шагом большинства ЭРЭ, устанавливаемых на ПП. Если есть необходимость
применить шаг координатной сетки, который отличается от основных шагов, то он должен быть кратным основным шагам.
Предпочтительными являются следующие шаги координатной сетки:
n · 0,05 мм, где n = 5, 10, 15, 20, 25;
n · 0,5 мм, где n = 1, 2, 5, 6, 10.
Допустимые шаги координатной сетки – дюймовые шаги, которые
применяют в конструкции ПП, использующих ЭРЭ с шагом, кратным 2,54
мм:
n · 2,54 мм;
n · 0,625 мм.
Координатную сетку наносят сплошными тонкими линиями. За
начало координат принимается центр крайнего левого и нижнего конструктивного или технологического отверстия. Допускается за начало координат
принимать крайний левый нижний угол платы или точку, образованную линиями построения плат.
Центры монтажных отверстий располагаются в точках пересечения
координатной сетки и задаются нумерацией отверстий с занесением их координат в таблицу или нумерацией линий координатной сетки.
Проводники на чертеже изображаются одной линией, являющейся
осью симметрии проводника при ширине проводника более 2,5 мм они могут изображаться двумя линиями и выделяться зачернением или штриховкой.
5.2 Основные операции изготовления ПП
5.2.1 Механическая обработка ПП
Механическая обработка ПП включает раскрой листового материала
на полосы, получение из них заготовок, выполнение фиксирующих, технологических, переходных и монтажных отверстий, получение чистового контура ПП. Размеры заготовок определяются требованиями чертежа и наличием по всему периметру технологического поля, на котором выполняются
фиксирующие отверстия для базирования деталей в процессе изготовления
и тестовые элементы. При прессовании МПП на технологическом поле образуется зона некачественной пропрессовки пакета, которая удаляется при
обработке контура. Ширина технологического поля не превышает 10 мм для
ОПП и ДПП и 20-30 мм для МПП. Малогабаритные платы размером до 100
мм размещают на групповой заготовке площадью не менее 0,05 м 2 с расстоянием 5-10 мм между ними.
Выбор метода получения заготовок определяется типом производства. В крупносерийном и массовом производстве раскрой листового материала осуществляют штамповкой на кривошипных или эксцентриковых
108
прессах с одновременной пробивкой фиксирующих отверстий на технологическом поле. Для уменьшения вероятности образования трещин, сколов,
расслоений и повышения точности обрабатываемый материал прижимают к
плоскости матрицы фольгированной стороной. Вырубку в штампах производят как в холодном, так и в нагретом до 80-100 °С состоянии материала.
Прогревают материал при получении сложного контура ПП и его толщине
свыше 2 мм.
Заготовки ПП в единичном и мелкосерийном производстве получают
разрезкой на одно - и многоножевых роликовых или гильотинных ножницах. Применяемые ножи должны быть установлены параллельно друг другу
с минимальным зазором 0,01-0,03 мм по всей длине реза.
Фиксирующие отверстия диаметром 4-6 мм выполняют штамповкой
или сверлением с высокой точностью (0,01-0,05 мм). Для сверления используют универсальные станки, в которых точность достигается применением
кондукторов, или специальное полуавтоматическое оборудование, которое в
одном цикле с обработкой пакета заготовок предусматривает пневматическую установку штифтов, фиксирующих пакет. Сверление ведут спиральными сверлами из быстрорежущей стали или твердых сплавов при скорости
30-50 м/мин и подаче 0,03-0,07 мм/об. Биение сверла при обработке не
должно превышать 0,03 мм. Повышение точности сверления фиксирующих
отверстий достигается их развертыванием при скорости 10-30 м/мин и ручной подаче инструмента.
Аналогичными методами выполняют и технологические отверстия,
которые используют для предотвращения смещения заготовок слоев МПП в
процессе прессования, но к точности их обработки не предъявляются такие
жесткие требования, как к точности обработки фиксирующих отверстий, по
которым идет совмещение заготовок с фотошаблонами и отдельных слоев в
пакете.
Монтажные и переходные отверстия получают также штамповкой
и сверлением. Пробивку отверстий на универсальных или специальных
штампах применяют в тех случаях, когда отверстие в дальнейшем не подвергается металлизации и его диаметр не менее 1 мм. При пробивке отверстий в односторонних фольгированных диэлектриках применяют штампы с
увеличенным зазором между пуансоном и матрицей, обеспечивающим затягивание фольги в отверстие, чем достигается его частичная металлизация.
Максимальная глубина затягивания фольги в отверстия диаметром 1-1,3 мм
достигается при технологическом зазоре 0,4+0,2 мм. Если плата имеет высокую плотность монтажа, большое количество отверстий и малый шаг координатной сетки, то применяют последовательную пробивку на нескольких
штампах. Применение универсальных штампов, в которых необходимое количество отдельных пуансонов набирается в специальном трафарете, делает
процесс штамповки экономичным в условиях мелкосерийного производства.
Металлизированные монтажные и переходные отверстия обрабатывают с высокой точностью на специализированных одно- и многошпиндельных сверлильных станках с ЧПУ. Эти станки имеют координатный стол
109
с автоматической системой позиционирования, сверлильные шпиндели с
бесступенчатым регулированием скорости и систему ЧПУ позиционного
типа. В зависимости от размеров обрабатываемых плат и требуемой производительности станки можно оснастить различным числом шпиндельных
головок. Каждый шпиндель имеет независимый привод скоростей, в связи с
чем за одну установку и по одной общей программе могут обрабатываться
отверстия разных диаметров.
Для обработки металлизированных отверстий используются специальные спиральные сверла из металлокерамических твердых сплавов. Их
стойкость при обработке фольгированных стеклотекстолитов составляет
3000-7000 тыс. отверстий, при наличии лакового покрытия на ПП стойкость
инструмента уменьшается в 2-3 раза. Номинальное значение диаметра сверла следует выбирать исходя из зависимости
dсв = d + 0.7(Δ1+ Δ 2),
где d - номинальный диаметр отверстия, мм; Δ 1 - допуск на этот диаметр, мм; Δ 2 - допустимое уменьшение диаметра обрабатываемого отверстия после охлаждения слоистых пластиков, мм.
Повышение температуры в зоне обработки при сверлении слоистых
пластиков приводит к наволакиванию размягченной смолы на кромки контактных площадок, препятствующему последующей металлизации отверстий. Для устранения этого недостатка предлагается ряд усовершенствований: применение охлаждающих агентов, не содержащих смазок (вода, водяной туман, очищенный сжатый воздух и т. п.); двойное сверление; наложение на поверхность платы алюминиевых листов; разработка сверл с дополнительными режущими кромками, направленными в сторону, противоположную основным, и т. п. Однако все перечисленные способы оказываются
малоэффективными в условиях массового производства. Предлагаемый
фирмой IBM (США) процесс лазерного фрезерования хотя и устраняет
наволакивание смолы на торцы контактных площадок, но не исключает ее
стеклование на поверхности стенок отверстия. Наиболее эффективным
средством устранения наволакивания признана последующая гидроабразивная очистка.
Чистовой контур ПП получают штамповкой, отрезкой на гильотинных
ножницах или на специальных станках с прецизионными алмазными пилами, фрезерованием. Повышение производительности фрезерных работ достигается групповой обработкой пакета ПП толщиной 10-30 мм. Для исключения повреждения их поверхностей между отдельными заготовками прокладывают картон, а пакет помещают между прокладками из листового гетинакса.
В последнее время для чистовой обработки все большее распространение получают контурно-фрезерные многошпиндельные станки с ЧПУ, которые обеспечивают хорошее качество кромок ПП и точность размеров в
пределах ±0,025 мм, позволяют обрабатывать внешние и внутренние контуры за одно крепление, характеризуются высокой производительностью
(1500-2000 плат/ч) и надежностью. Они снабжены устройствами для автома110
тической смены фрез, защитными скафандрами для ограждения оператора
от шума, пыли и стружки при обработке, бесступенчатым регулированием
частоты вращения инструмента в диапазоне 15-60 тыс./мин.
Подготовительные операции предназначены для обеспечения качества при выполнении основных процессов формирования элементов печатного монтажа. Они включают очистку исходных материалов и монтажных
отверстий от окислов, жировых пятен, смазки, пленок и других загрязнений,
активирование поверхностей проводящего рисунка, специальную обработку
диэлектриков, а также контроль качества подготовки. В зависимости от характера и степени загрязнений очистку (активирование) проводят механическими, химическими, электрохимическими, плазменными методами и их сочетанием.
Механическая подготовка в условиях мелкосерийного производства
осуществляется вручную смесью венской извести и шлиф-порошка под
струей воды. Экономически оправдано применение механизированных и автоматических конвейерных линий в условиях крупносерийного и массового
производства. Инструментом на этих линиях служат абразивные круги, капроновые или нейлоновые щетки, на которые подается абразивная суспензия. В некоторых зарубежных установках для зачистки используются круги
из нетканого нейлона, насыщенные мелкодисперсным порошком карборунда или алунда, которые для устранения перегрева обильно смачивают водой.
Для очистки монтажных отверстий от наволакивания смолы и других загрязнений широко применяются установки гидроабразивной обработки, в
которых платы со скоростью 0,2-0,4 м/мин проходят рабочую, промывную и
сушильную камеры установки. В рабочей камере через инжекторные форсунки, качающиеся вокруг оси с частотой 35-100 циклов в минуту, под давлением 0,5-0,7 МПа подается пульпа, состоящая из абразивного порошка и
воды. Подача воды под давлением 1-1,2 МПа обеспечивает тщательную
промывку отверстий в следующей камере. Сушка заготовок осуществляется
сжатым воздухом.
Химическая и электрохимическая подготовка поверхности проводится
в ваннах с различными растворами при покачивании плат и последующей их
промывкой, а механизированная - на автооператорных линиях модульного
типа по заданной программе.
Высокое качество и производительность обеспечивает плазменная
очистка ПП, которая устраняет использование токсичных кислот, щелочей и
их вредное воздействие на обслуживающий персонал, материалы обработки
и окружающую среду. Установки плазмохимической обработки состоят из
реактора, мощного ВЧ-генератора, устройства управления и регулирования
процессов, вакуумного насоса. Плазмообразующий газ, состоящий из кислорода (70%) и тетрафторметана (30%), подается в камеру со скоростью
600-900 см3/мин. Мощность ВЧ-генератора регулируется в диапазоне 0-4000
Вт, а частота составляет 13,56 МГц. На установке одновременно обрабатывается до 15 плат размером 45х60 см, каждая из которых имеет до 3000 отверстий. Длительность операции очистки пакета - 10... 16 мин.
111
Специальная обработка диэлектрического материала при изготовлении МПП или ПП аддитивными методами заключается в его подтравливании и придании шероховатости для увеличения прочности сцепления с металлизацией. Подтравливание диэлектрика проводится последовательной
обработкой сначала в серной кислоте, а затем в плавиковой или в их смеси
(5:1) при температуре 50-60°С. Серная кислота образует с эпоксидной смолой сложный, растворимый в воде, сульфированный полимер, а обнажившееся стекловолокно вступает в реакцию с плавиковой кислотой. Скорость
травления составляет 40-80 мкм/мин. После обработки платы нейтрализуют
в растворе щелочей и тщательно промывают.
Увеличение шероховатости диэлектрических поверхностей и клеевых
композиций достигается механической (гидроабразивной) или химической
обработкой.
Контроль качества подготовки металлических поверхностей заготовок
ПП оценивают по полноте смачивания их водой. Состояние диэлектрических поверхностей проверяют микроскопическими исследованиями, измерением высоты микронеровностей, проведением пробной металлизации и
оценкой ее прочности сцепления с основанием. Объективным показателем
качества является также проверка сопротивления изоляции после пребывания в камере влажности.
К подготовительным операциям относится упаковка ПП, которая производится на автоматическом оборудовании. Заготовки со скоростью 120240 шт./ч помещаются между слоями полиэтиленовой пленки, которая при
помощи тепловой обработки заваривается с четырех сторон и образует герметичную упаковку.
5.2.2 Формирование токопроводящих элементов ПП
Технология металлизации.
Формирование токопроводящих элементов ПП осуществляется двумя
основными методами: химическим (бестоковым) и электрохимическим. Химическая металлизация используется в качестве основного слоя при изготовлении плат аддитивным методом, при этом после соответствующей активации на них осаждают химическим способом проводящий слой толщиной до
3 мкм, а затем его усиливают гальваническим способом до необходимой
толщины, так как гальваническое осаждение значительно дешевле. В основном этот метод применяют для осаждения меди и никеля в межслойных переходах ПП.
Процесс химической металлизации основан на окислительновосстановительной реакции ионов металла из его соли в определенной среде, при которой необходимые для восстановления катионов металла электроны получают в результате окисления специальных веществ, называемых
восстановителями.
Для создания межслойных переходов в ПП и для изготовления прово112
дящего рисунка плат используют, как правило, восстановительную ванну
для меднения в одном из растворов, приведенных в таблице.
Разбавленные растворы (1) характеризуются более высокой стабильностью, чем концентрированные (2 и 3), но в них выделение меди происходит с низкой скоростью. При температуре ванны в 35-40 °С получают за 30
мин слой меди толщиной 0,5 мкм. Высокопроизводительные восстановительные ванны для меднения позволяют при температуре примерно 50 °С
осадить слой в 25 мкм в течение 4 ч. Для облегчения удаления водорода,
выделяющегося в процессе меднения, в растворы вводят поверхностноактивные вещества (моющее средство), а процесс ведется с плавным покачиванием плат (8-10 колеб./мин при амплитуде 50-100 мм).
В последнее время рекомендуют применять для получения металлического проводящего слоя также ванны для химического никелирования, которые являются более стабильными и простыми в управлении. В ванны добавляют стабилизаторы, способствующие тому, что реакции происходят
только на нужной поверхности, а не в растворе. При температуре 52-54 °С,
рН=5÷6 и соотношении площади поверхности и объема ванны 1 дм2/л за 710 мин образуется слой никеля толщиной в 1 мкм.
Формирование рисунка печатных плат.
Нанесение рисунка схемы на ПП необходимо для получения защитной
маски требуемой конфигурации при осуществлении процессов металлизации и травления. Наиболее распространены в промышленности сеткографический (офсетной печати) и фотохимический методы.
Сеткографический метод получения рисунка ПП (рис 5.5)основан на
применении специальных кислотостойких быстросохнущих красок, которые
113
после продавливания через трафарет закрепляются на поверхности заготовки в результате испарения растворителя. Основными видами специальных
трафаретных красок являются следующие: защитные щелочесмываемые;
защитные гальваностойкие, смываемые органическим растворителем (хлористым метиленом). Для получения маркированных знаков используются
трафаретные пентафталевые краски.
Качество наносимого защитного слоя определяется вязкостью используемых трафаретных красок. Ее оптимальная величина устанавливается исходя из температуры, номера сетки, характера изображения, наличия орошения формы и др. При оптимальном значении вязкости краска не должна
самопроизвольно растекаться ни по печатной форме, ни по заготовке, должна легко и равномерно растекаться под воздействием ракеля и продавливаться сквозь отверстия печатающих элементов формы.
Рис. 5.5. Сеткографический способ нанесения защитного рельефа: 1 —
трафарет; 2 — краска; 3 — основание ПП
Ракель обычно изготавливают из листовой маслобензостойкой резины
толщиной около 8 мм и высотой не менее 25 мм. Тщательно отполированная
поверхность ракеля обеспечивает высокое качество.
Заготовка в станках трафаретной печати устанавливается с технологическим зазором 2-3 мм. Увеличение зазора приводит к повышению четкости
рисунка, но одновременно повышается износ сетки. Постепенный отрыв
сетки от заготовки в процессе нанесения рисунка уменьшает и его искажение, и износ сетки. Нанесение защитной краски через сетчатый трафарет
осуществляется автоматическим оборудованием, которое включает загрузочное устройство, машину для рихтовки плат, сеткографический станок,
сушильную печь, накопитель готовых изделий.
Загрузка ПП в станок происходит посредством ленточного конвейера.
Подведенная заготовка фиксируется в рабочей зоне на штифтах с точностью
±25 мкм и закрепляется при помощи вакуумной системы. Краскодозирующим устройством краска подается в зону обработки, а ракель продавливает
ее через ячейки трафарета. В системе управления ракелем регулируется угол
наклона, скорость движения, давление и диапазон хода. Время, затрачиваемое на один цикл печатания, составляет 5-7 с. Смена трафарета и настройка
станка на новый тип плат производится по контрольному шаблону. В станках для одновременного нанесения рисунка на две стороны заготовки ПП
114
устанавливается вертикально.
Закрепление краски на заготовке осуществляется сушкой. Краски с
органическими растворителями сушат в туннельных конвейерных печах горячим воздухом при температуре 150-180 °С или под действием ИКизлучения. Краски мгновенной сушки, содержащие мономерно - полимерные композиции и фотоинициатор, закрепляются под воздействием ультрафиолетовых лучей. Однако они имеют небольшой срок хранения и высокую
стоимость.
Срок хранения отпечатанных плат в условиях производства составляет
3-5 суток. При больших сроках хранения становится затруднительным удаление краски. Снимают трафаретную краску 3-5%-ным раствором горячей
(40-60°С) щелочи в течение 10-20 с. Аналогично промываются сетчатые
трафареты после работы.
Сетчатые трафареты представляют собой металлическую раму из
алюминиевого сплава, на которую натянут тканый материал, к которому
предъявляют следующие требования: материал ткани должен быть прочным на разрыв, устойчив к растяжению, истиранию, бездефектным, не должен взаимодействовать с растворителями трафаретной краски, величина
просветов должна быть в 1,5—2 раза больше толщины нити.
Сетчатые трафареты изготавливают из синтетических тканей (капрона), из металлических сеток (латунь, бронза, коррозионно-стойкая сталь) и
из комбинированных сеток, в которых металлическая центральная часть, соответствующая размеру рабочего поля, вклеивается в натянутую на раму капроновую ткань клеем «Адгезив-2В» или клеем «Виланд-5К», а капрон под
металлической сеткой удаляют концентрированной азотной кислотой. Предприятия в основном используют сетки из капрона, реже из нержавеющей
стали, еще реже из полиэфирных волокон.
Наибольшую точность и долговечность имеют сетки из нержавеющей
стали или фосфористой бронзы с размером ячеек 40...50 мкм; наибольшую
эластичность — сетки из лавсана, капрона, металлизированного нейлонового моноволокна. Сетка равномерно натягивается в раме с заданным усилием на пневматических установках натяжения сетки (например, ПУНС-901).
Одним из недостатков сеток является их растяжение при многократном
использовании, поэтому важнейшей их характеристикой является тиражеустойчивость. Самая большая тиражеустойчивость у сеток из нержавеющей
стали (до 20 тыс. отпечатков с одной сетки), далее идут полиэфирные сетки
(до 10 тыс. отпечатков) и капроновые (до 5 тыс.).
Прямой и косвенный методы сеткографии.
Для получения рисунка трафарета применяют прямой или косвенный
способы.
При прямом способе на натянутые сетки с временной подложкой из
полиэтилентерефталатной пленки наносится фотополимеризующаяся композиция методом полива («Полисет», или типа ФСТ (ТУ610-028-029), или
115
композиция «Фотосет-Ж» — для синтетических тканей), и получают изображение схемы фотохимическим способом (экспонирование через ФШ.
проявление, дубление, промывка, обезжиривание, контроль качества). Для
экспонирования изображения на сетку может быть использована установка
экспонирования сетчатых трафаретов УЭСТ-901А, выпускаемая АООТ
НИТИ-ТЕСАР (г. Саратов).
При косвенном способе рисунок схемы переносится на сетку из пленочных материалов, таких как пленка СПФ, пигментная бумага (ТУ29-0106—70) и др. Достоинством косвенного метода является высокое качество
изображения, недостатком — низкая тиражестойкость трафарета (до 600 оттисков), длительность процесса его изготовления. Получение рисунка трафарета возможно также с применением фоторезиста марки «Фотосет-Ж» (ТУ615-1467—84), который наносится на натянутую сетку, обработанную в адгезионном составе, поливом. Затем на сетку устанавливают ФШ с антиадгезионным слоем (5%-ный раствор парафина и уайтспирита), чтобы не прилип к
сетке, и проводят экспонирование изображения в течение 3...5 мин при освещенности 3000...3500 лк. Проявляют этиловым спиртом при помощи ватного тампона.
Достоинством фоторезиста «Фотосет-Ж» является высокая тиражестойкость и разрешающая способность (40 линий/см), что позволяет получать ПП по 3—4 классу точности (порядка 0,2 мм ширина проводников и
расстояний между проводниками), короткий процесс изготовления трафарета и способность полимеризоваться в жидком состоянии. После нанесения изображения участки сетки, свободные от рисунка, покрывают клеем
БФ-4.
Фотографический метод предусматривает нанесение на поверхность
заготовки ПП специальных светочувствительных материалов - фоторезистов, негативных или позитивных. Негативные фоторезисты образуют при
воздействии света защитные маски вследствие реакции фотополимеризации,
при этом облученные участки остаются на плате, а необлученные удаляются
при проявлении. В позитивных фоторезистах под действием света происходит фотодеструкция органических молекул, облученные участки удаляются
при проявлении. Фоторезисты могут быть жидкими и пленочными. Жидкие
фоторезисты значительно дешевле пленочных, для работы с ними требуется
несложное оборудование. Применение пленочных фоторезистов значительно упрощает ТП (исключаются операции сушки, дубления, ретуширования)
и обеспечивает нанесение защитных слоев при наличии монтажных отверстий.
Жидкие позитивные фоторезисты на основе диазосоединений имеют
повышенную разрешающую способность, химическую стойкость, в них отсутствует темновое дубление. Наносят жидкие фоторезисты окунанием,
центрифугированием, накаткой валками, разбрызгиванием. При покрытии
окунанием заготовки погружаются в кювету с фоторезистом и вытягиваются
с постоянной скоростью (10-50 см/мин). Толщина слоя определяется вязкостью, скоростью вытягивания и колеблется от 4 до 8 мкм. Способ обеспечи116
вает двустороннее нанесение фоторезиста. Недостатком является неравномерность нанесенного слоя. Применение центрифугирования и накатки валками приводит к повышению равномерности наносимых слоев. Валковые
конвейерные установки имеют секции инфракрасной сушки резиста.
Сухие пленочные фоторезисты (СПФ) представляют собой структуру,
состоящую из светочувствительного слоя, который помещается между защитной полиэтиленовой и светопроницаемой лавсановой пленками. Типичная толщина СПФ 20, 40 и 60 мкм, защитных СПФЗ 90, 110, 130 мкм. Тонкие слои СПФ применяют в качестве маски при травлении меди с пробельных мест, средние - для создания рисунка при нанесении слоя металлизации,
а толстые - для защиты отверстий с металлизацией при травлении. Фоторезисты наносят на платы валковым методом при нагреве до 105-120 °С и
плотно прикатывают к поверхности заготовки для удаления воздушных
включений. Реализующие этот метод установки называются ламинаторами.
Они снабжены терморегуляторами, тарированными устройствами прижима
подающих валков, устройствами для обеспечения давления на заготовку и
обрезания фоторезиста после его нанесения.
Экспонирование предназначено для инициирования фотохимических
реакций в фоторезистах. Оно проводится в установках, состоящих из источников света, работающих в ультрафиолетовой области, рефлекторов и коллиматоров. Для плотного прилегания фотошаблонов к заготовкам плат используют рамы, оснащенные специальными откачными системами для создания вакуума.
Для проявления СПФ используют два вида установок: камерные для
мелкосерийного производства и конвейерные для серийного производства.
Камерные установки имеют насос для подачи проявителя под давлением,
систему струйной промывки, змеевики охлаждения проявителя, таймеры,
систему терморегулирования и устройства фильтрации проявителя. Конвейерные установки имеют зоны загрузки, первичного проявления, допроявления и промывки плат. Установки оснащены регуляторами скорости конвейера и давления жидкости, системами охлаждения и терморегулирования, основными и вспомогательными насосами фильтрации жидкости и отстойниками промывных вод.
После проявления оставшийся фоторезист должен быть твердым, блестящим, сплошным покрытием на поверхности заготовки с хорошей адгезией к ней, без проколов и других дефектов.
Травление меди с пробельных мест представляет собой сложный
окислительно-восстановительный процесс удаления меди с непроводящих
(пробельных) участков. Травление выполняют химическим или электрохимическим способом. Для химического процесса разработаны и используются в промышленности многочисленные составы на основе хлорного железа,
персульфата аммония, хлорной меди, хромовой кислоты, и др. Выбор травильного раствора определяется типом применяемого резиста, скоростью
травления, величиной бокового подтравливания, возможностью регенерации
и экономичностью процесса.
117
Скорость травления меди зависит от состава травителя, условий его
доставки в зону обработки, температуры раствора и количества меди, перешедшей в раствор. Скорость травления оказывает существенное влияние на
качество формируемых элементов ПП. При малых скоростях время пребывания платы в травителе увеличивается, что приводит к ухудшению диэлектрических свойств оснований и увеличению бокового подтравливания. Величина бокового подтравливания оценивается фактором травления K=S/a,
который представляет собой отношение толщины фольги S к величине изменения ширины печатного проводника а. Уменьшают фактор травления
введением в используемые растворы специальных добавок: ионы металлов с
более низким потенциалом, чем у меди (Ag, Hg, Pt, Pd, Au).
Технологический процесс травления состоит из операций предварительной очистки меди, повышающей равномерность ее удаления, непосредственно удаления меди с пробельных участков платы, очистки поверхности
диэлектрика, осветления при необходимости поверхности металлорезиста и
сушки.
Наибольшее распространение в технологии производства ПП получили травильные растворы на основе хлорного железа. Они отличаются высокой и равномерной скоростью травления, малой величиной бокового подтравливания, высокой четкостью получаемых контуров, экономичностью.
Скорость процесса в свежеприготовленном растворе составляет 40 мкм/мин,
но по мере накопления в нем ионов меди постепенно снижается и при 100
г/л составляет 5-6 мкм/мин. Повышение температуры и рН травителя относительно оптимальных значений приводит к образованию смеси фильтрующейся меди и оксида железа, который адсорбируется поверхностью диэлектрика, с трудом удаляется при промывке и ухудшает изоляционные свойства
подложки.
Травитель не пригоден для получения плат, покрытых металлорезистами на основе олова. В этом случае рекомендуется применять раствор
персульфата аммония. Он дешевле хлорного железа, быстро приготавливается на рабочем месте, прозрачен и невязок, не образует шлама при травлении, легко поддается регенерации. Реакция сопровождается выделением
тепла, что вызывает необходимость стабилизации температурного режима.
Травление приводит к большому боковому подтравливанию медных проводников, сопровождается зубчатостью краев из-за различия скоростей химических реакций по зернам металла, а раствор склонен к саморазложению.
Стабильными параметрами травления характеризуются растворы на
основе хлорной меди. Разработанные кислые и щелочные составы несколько
уступают по скорости растворам хлорного железа, но намного их дешевле. В
них не образуется шлам, ПП легко отмываются по после обработки, а боковое подтравливание не превышает 3-6 мкм. Отсутствие в растворе посторонних катионов позволяет проводить полную регенерацию в непрерывном
замкнутом цикле. Повышение производительности процесса достигается
использованием раствора на основе двух окислителей - хлорной меди и
хлорного железа.
118
Травление меди в растворе перекиси водорода проводится в кислой
среде с добавлением серной или соляной кислоты. Используемые травители
совместимы практически со всеми типами резистов. Получаемая H2S04 является химически чистым веществом, легко извлекается и используется для
технических целей. При накоплении 60-80 кг/м2 меди раствор истощается и
скорость травления снижается. Полезную емкость по меди до 130 кг/м2
имеют солянокислые растворы. В них травящей способностью обладают не
только исходные компоненты, но и продукты реакции. Процесс травления
сопровождается поддержанием состава ванны и разложением перекиси водорода.
Химическое удаление меди проводится погружением ПП в травитель,
наплескиванием раствора на их поверхность или разбрызгиванием через
форсунки. Давление раствора в форсунках колеблется в пределах 0,1-0,5
МПа, а струя подается перпендикулярно поверхности платы или при небольшом отклонении от перпендикуляра. Постоянное обновление окислителя в зоне обработки и удаление продуктов реакции обеспечивают высокую
производительность струйному травлению, а траектория струи - незначительное боковое подтравливание. Производительное технологическое оборудование компонуется по модульному принципу и содержит модули травления, регенерации, промывки, осветления и сушки, которые объединяются
транспортной системой и системой трубопроводов. Автоматические модульные линии конвейерного типа оснащаются устройствами для контроля
кислотности раствора, его температуры и давления в форсунках.
Электрохимическое травление ПП основано на анодном растворении
меди с последующим восстановлением ионов стравленного металла на катоде. Такой процесс по сравнению с химическим травлением обладает рядом
преимуществ: упрощением состава электролита, методики его приготовления, регенерации и очистки сточных вод, высокой и стабильной скоростью
травления в течение длительного периода времени, экономичностью, легкостью управления и автоматизацией всех стадий.
Широкое применение электрохимического травления сдерживается
неравномерностью удаления металла по плоскости платы, что приводит к
образованию невытравленных островков. Полностью реализовать преимущества электрохимического метода позволяют подвижные носители заряда,
которые представляют собой частицы графита в суспензированном электролите. Эти частицы принимают заряд с анода и переносят его на поверхность
меди, переводя последнюю в ионную форму. Использование электрохимического травления сводит к минимуму боковое подтравливание токопроводящих дорожек и обеспечивает разрешающую способность, равную 70-100
мкм, но стоимость технологического оборудования превышает стоимость
машин для химического травления.
После удаления меди с пробельных участков ПП промывают холодной проточной водой. Если на поверхности металлических резистов (особенно Sn-Pb) в результате химического взаимодействия с травителем образуются нерастворимые соединения, вызывающие потемнение и ухудшение
119
их паяемости, то их осветляют при температуре 18-25 °С в течение 3-5 мин.
Растворы осветления готовят на основе кислот и тиомочевины, например
(г/л): соляная кислота – 50-60, тиомочевина – 90-100, этиловый спирт – 5-6,
моющее средство или поверхностно-активное вещество – 1-10.
5.3 Технологические процессы изготовления односторонних
и двусторонних печатных плат
5.3.1 Методы изготовления печатных плат
Методы изготовления ПП (рис.5.6) разделяют на две группы: субтрактивные и аддитивные.
Рис. 5.6
В субтрактивных методах (subtratio-отнимание) в качестве основания
для печатного монтажа используют фольгированные диэлектрики, на которых формируется проводящий рисунок путем удаления фольги с непроводящих участков. Дополнительная химико-гальваническая металлизация
монтажных отверстий привела к созданию комбинированных методов изготовления ПП.
При аддитивном методе исходным является нефольгированный диэлектрик Аддитивные (additio -прибавление) методы основаны на избирательном осаждении токопроводящего покрытия на диэлектрическое основание, на которое предварительно может наноситься слой клеевой композиции. По сравнению с субтрактивными они обладают следующими преимуществами:
1. однородностью структуры, так как проводники и металлизация отверстий получаются в едином химико-гальваническом процессе;
2. устраняют подтравливание элементов печатного монтажа;
3. улучшают равномерность толщины металлизированного слоя в отверстиях;
4. повышают плотность печатного монтажа;
5. упрощают ТП из-за устранения ряда операций (нанесения защитного покрытия, травления);
6. экономят медь, химикаты для травления и затраты на нейтрализа120
цию сточных вод;
7. уменьшают длительность производственного цикла.
Несмотря на описанные преимущества, применение аддитивного метода в массовом производстве ПП ограничено низкой производительностью
процесса химической металлизации, интенсивным воздействием электролитов на диэлектрик, трудностью получения металлических покрытий с хорошей адгезией. Доминирующей в этих условиях является субтрактивная технология, особенно с переходом на фольгированные диэлектрики с тонкомерной фольгой (5 и 18 мкм).
Субтрактивные методы.
По субтрактивной технологии рисунок проводников получается травлением медной фольги по защитному изображению в фоторезисте или металлорезисте. Применяются три разновидности
субтрактивной технологии.
Первый вариант (рис. 5.7) – негаРис. 5.7.
тивный процесс с использованием сухого
пленочного фоторезиста (СПФ). Процесс достаточно простой, применяется
при изготовлении односторонних и двухсторонних ПП. Металлизация внутренних стенок отверстий не выполняется. Заготовка – фольгированный диэлектрик. Методами фотолитографии с помощью сухого пленочного фоторезиста на поверхности фольги формируется защитная маска, представляющая собой изображение (рисунок) проводников. Затем открытые участки
медной фольги подвергаются травлению, после чего фоторезист удаляется.
Второй вариант (рис. 5.8) – позитивный процесс. Создается проводящий рисунок двухсторонних слоев
с межслойными металлизированными
переходами (отверстиями). Сухой
пленочный фоторезист (СПФ) наслаивается на заготовки фольгированного диэлектрика, прошедшие операции
сверления отверстий и предварительной (5-7 мкм) металлизации медью
стенок отверстий и всей поверхности
Рис. 5.8
фольги. В процессе фотолитографии
СПФ защитный рельеф получают на местах поверхности металлизированной фольги, подлежащей последующему удалению травлением. На участки,
не защищенные СПФ, последовательно осаждаются медь и металлорезист
(сплав SnPb), в том числе и на поверхность стенок отверстий. После удаления маски СПФ незащищенные (более тонкие) слои меди вытравливаются.
121
Процесс более сложный, однако, с его помощью удается получить металлизированные стенки отверстий.
Третий вариант (рис. 5.9) – так называемый тентинг-процесс. Как и в
позитивном процессе, берется заготовка в виде фольгированного диэлектрика, формируются отверстия, проводится предварительная металлизация всей
платы, включая внутренние стенки отверстий. Затем наносится СФП, который формирует маску во время фотолитографии в виде рисунка печатных
проводников и образует завески – тенты над металлизированными отверстиями, защищая их во время последующей операции травления свободных
участков медной фольги. В этом процессе используются свойства пленочного фоторезиста наслаиваться на сверленые подложки без попадания в отверстия и образовывать защитные слои над металлизированными отверстиями.
Применение тентинг-метода упрощает технологический процесс изготовления двусторонних ПП с металлизированными отверстиями. Однако необходимо обеспечить гарантированное запечатывание отверстий фоторезистом.
Кроме того, качество поверхности металла вокруг отверстий должно быть
очень хорошим, без заусениц.
Для получения изображений используется пленочный фоторезист толщиной 15-50 мкм. Толщина фоторезиста
в случае метода "тентинг" диктуется
требованиями целостности защитных
завесок над отверстиями на операциях
проявления и травления, проводимых
разбрызгиванием проявляющих и травящих растворов под давлением 1,6-2
атм. и более. Фоторезисты толщиной
Рис. 5.9.
менее 45-50 мкм на этих операциях над
отверстиями разрушаются.
Подготовка поверхностей заготовок под наслаивание пленочного фоторезиста с целью удаления заусенцев сверленых отверстий и наростов
гальванической меди производится механической зачисткой абразивными
кругами с последующей химической обработкой в растворе персульфата
аммония или механической зачисткой водной пемзовой суспензией. Такие
варианты подготовки обеспечивают необходимую адгезию пленочного фоторезиста к медной поверхности подложки и химическую стойкость защитных изображений на операциях проявления и травления. Кроме того, механическая зачистка пемзой дает матовую однородную поверхность с низким
отражением света, обеспечивающая более однородное экспонирование фоторезиста.
Фоторезист наслаивается по специально подобранному режиму: при
низкой скорости наслаивания 0,5 м/мин, при температуре нагрева валков 115
°С ± 5 °С, на подогретые до температуры 60 ÷ 80 °С заготовки. При экспонировании изображения используются установки с точечным источником
света, обеспечивающим высококоллимированный интенсивный световой
122
поток на рабочую поверхность с автоматическим дозированием и контролем
световой энергии.
Субтрактивный метод получения рисунка проводников ПП основан на
травлении медной фольги по защитной маске. Из-за процессов бокового
подтравливания меди под краями маски поперечное сечение проводников
имеет форму трапеции, расположенной большим основанием на поверхности диэлектрика. Величина бокового подтравливания и, соответственно,
разброс ширины создаваемых проводящих дорожек зависит от толщины
слоя металла: при травлении фольги толщиной 5 мкм интервал разброса
ширины проводников порядка 7 мкм, при травлении фольги толщиной 20
мкм разброс составляет 30 мкм, а при травлении фольги толщиной 35 мкм
разброс составляет около 50 мкм. Искажения ширины медных проводников
по отношению к размерам ширины их изображений в фоторезисте и на фотошаблоне смещаются в сторону заужения. Следовательно, при субтрактивной технологии размеры проводников на фотошаблоне необходимо увеличивать на величину заужения. Из этого следует, что субтрактивная технология имеет ограничения по разрешению, которые определяются толщиной
фольги и процессами травления. Минимально воспроизводимая ширина
проводников и зазоров составляет порядка:
50 мкм при толщине фольги 5-9 мкм;
100 - 125 мкм при толщине проводников 20 - 35 мкм;
150 - 200 мкм при толщине проводников 50 мкм.
Аддитивные методы.
По способу создания токопроводящего покрытия аддитивные методы
разделяются на химические и химико-гальванические. При химическом
процессе на каталитически активных участках поверхности происходит химическое восстановление ионов металла. В разработанных растворах скорость осаждения меди составляет 2-4 мкм/ч и для получения необходимой
толщины процесс продолжается длительное время.
Для изготовления печатных плат с шириной проводников и зазоров 50
-100 мкм с толщиной проводников 30-50 мкм рекомендуется использовать
аддитивный электрохимический метод формирования рисунка, по которому
проводники и изоляция между ними (диэлектрик) формируются селективным гальваническим осаждением проводников и формированием изоляции
только в необходимых местах прессованием. Метод, как аддитивный, принципиально отличается от субтрактивного тем, что металл проводников
наносится, а не вытравливается.
Рассмотрим 2 основных варианта аддитивного метода изготовления
ПП: химический и химико-гальванический или комбинированный:
В первом варианте проводящие слои получают на основе восстановительного осаждения, при этом возможно получать слои толщиной от
0,010 мкм, подбирая соответствующие условия осаждения (pH, t°,). Схема
технологического процесса химического аддитивного метода включает:
123
. сверление и очистку отверстий в диэлектрике;
. сенсибилизацию и активизацию поверхности;
. создание защитного рельефа методом фотопечати;
. химическое меднение;
удаление фоторезиста;
. создание неметаллизированных отверстий;
. нанесение маски для пайки (трафаретная печать).
В комбинированном методе на поверхности нефольгированного диэлектрика сначала получают химическим методом слой меди толщиной 5
мкм, который служит основой для селективного гальванического наращивания рисунка проводника. Однако из-за неравномерного распределения плотности тока гальванических ванн, возможна неравномерная толщина покрытий в отверстиях. Поскольку активация с помощью растворов SnCl2 и PbCl2
производится на всей поверхности ПП, то после создания защитного рельефа и гальванического наращивания необходима короткая операция травления тонкого слоя химически осажденной Cu с нежелательных мест.
Ниже приводится описание одного из вариантов изготовления печатной платы аддитивным методом.
Рис. 5.10.
Проводящий рисунок формируется
(рис. 5.10) последовательным наращиванием слоев: 1 – получение на временных
"носителях" - листах из нержавеющей
стали - медной шины толщиной 2÷20
мкм; 2 – нанесение СПФ; 3 – формирование рисунка в СПФ; 4 – гальваническое
осаждение тонкого слоя никеля (2÷3
мкм) и меди (30 ÷ 50 мкм) в пробельные
места пленочного фоторезиста. В защитном рельефе пленочного фоторезиста на
верхнюю поверхность сформированных
124
проводников производится также нанесение адгезионных слоев (5). После
этого пленочный фоторезист удаляется (6). При изготовлении ДПП подготовленные пластины разделяются пластиной препрега или другого диэлектрика (7) и спрессовываются (8), после чего механически удаляются носители (9). Если не нужны межслойные переходы, то медные шины стравливается и плата готова (10).
При изготовлении двухсторонних слоев с межслойными переходами
перед травлением тонкой медной шины сверлятся и металлизируются отверстия. Проводящий рисунок, утопленный в диэлектрик и сверху защищенный
слоем никеля, при травлении медной шины не подвергается воздействию
травильного раствора. Поэтому форма, размеры и точность проводящего рисунка определяются формой и размерами пробельных мест в рельефе пленочного фоторезиста, т.е. процессами фотохимии (фотолитографии). Отсюда к процессам фотолитографии предъявляются более жесткие требования, в
частности, оптической плотности белых и черных полей фотошаблонов,
резкости края изображения, стабильности температуры и влажности в рабочих помещениях. Профиль фоторельефа пленочного фоторезиста зависит от
применяемой модели светокопировальной установки. При экспонировании
на установках с совершенной экспонирующей системой, обеспечивающей
высокую коллимацию высокоинтенсивных световых лучей и отсутствие
нагрева рабочей копировальной поверхности, фоторельеф имеет ровные боковые стенки с малым наклоном к поверхности подложки.
При обеспечении требуемых параметров технологического процесса
аддитивная технология позволяет получать рисунок проводников на плате с
большей точностью и воспроизводимостью:
ширина проводников, сформированных в рельефе пленочного фоторезиста, практически по всей высоте проводника равна ширине
изображения на фотошаблоне, интервал разброса не превышает 5-10
мкм;
искажения ширины проводников на поверхности подложки относительно размеров на фотошаблоне в среднем составляют от 10 мкм
до 20 мкм;
суммарный интервал разброса ширины проводников по всей высоте
фоторельефа не превышает 15-20 мкм.
Таким образом, в отличие от субтрактивной технологии аддитивные
процессы принципиально позволяют получать ПП по самым высоким классам точности.
Методы нанесения рисунка ПП.
Основными методами, применяемыми в промышленности для создания рисунка печатного монтажа, являются офсетная печать, сеткография и
фотопечать. Выбор метода определяется конструкцией ПП, требуемой точностью и плотностью монтажа, производительностью оборудования и экономичностью процесса.
Метод офсетной печати состоит в изготовлении печатной формы, на
поверхности которой формируется рисунок слоя. Форма закатывается вали125
ком трафаретной краской, а затем офсетный цилиндр переносит краску с
формы на подготовленную поверхность основания ПП. Метод применим в
условиях массового и крупносерийного производства с минимальной шириной проводников и зазоров между ними 0,3-0,5 мм (платы 1 и 2 классов
плотности монтажа) и с точностью воспроизведения изображения ±0,2 мм.
Его недостатками являются высокая стоимость оборудования, необходимость использования квалифицированного обслуживающего персонала и
трудность изменения рисунка платы.
Сеткографический метод основан на нанесении специальной краски
на плату путем продавливания ее резиновой лопаткой (ракелем) через сетчатый трафарет, на котором необходимый рисунок образован ячейками сетки,
открытыми для продавливания. Метод обеспечивает высокую производительность и экономичен в условиях массового производства. Точность и
плотность монтажа аналогичны предыдущему методу.
Самой высокой точностью (±0,05 мм) и плотностью монтажа, соответствующими 3—5 классу (ширина проводников и зазоров между ними 0,10,25 мм), характеризуется метод фотопечати. Он состоит в контактном копировании рисунка печатного монтажа с фотошаблона на основание, покрытое светочувствительным слоем (фоторезистом).
Однослойные ПП и ГПК изготавливают преимущественно субтрактивным сеточно-химическим или аддитивным методом, а ДПП и ГПП химико-гальваническим аддитивным или комбинированными фотохимическими
(негативным или позитивным) методами. Производство МПП основано на
типовых операциях получения ОПП и ДПП и некоторых специфических
процессах, таких как прессование слоев, создание межслойных соединений
и др. Выбор метода изготовления МПП определяется следующими факторами: числом слоев, надежностью соединений, плотностью монтажа, видом
выводов устанавливаемых ЭРЭ и ИС, возможностью механизации и автоматизации, длительностью производственного цикла, экономичностью. Методы, основанные на использовании объемных деталей для межслойных соединений, характеризуются повышенной трудоемкостью, низкой надежностью, плохо поддаются автоматизации. Наиболее распространен из второй
группы метод металлизации сквозных отверстий.
Пленочные технологии изготовления ПП.
Повышение требований к качеству ПП и стабильности их параметров
привело к созданию ПП и МПП на керамических и полиимидных основаниях. Для изготовления таких плат применяются многочисленные методы, основанные на тонко- и толстопленочной технологии. При использовании
тонкопленочной технологии диэлектрические и токопроводящие слои наносят с помощью одного из методов вакуумного испарения, которые характеризуются разнообразием применяемых материалов и возможностью создания многослойных структур в одном технологическом цикле. Недостатками
метода являются низкая производительность, сложность технологического
оборудования, необходимость вакуума.
При использовании толстопленочной технологии с помощью трафа126
ретной печати создают изоляционные и проводящие слои, которые затем
вжигают в основание. Так как керамика в неотожженном состоянии допускает механическую обработку для получения монтажных отверстий, то появляется возможность методом послойного наращивания формировать многослойные структуры с межслойными проводящими переходами. Метод
обеспечивает высокую надежность изделий и производительность процесса
без применения дорогостоящего оборудования. Однако при изготовлении
многослойных проводящих структур требуются материалы со ступенчатыми
температурами вжигания. Применение сырых керамических пленок позволяет параллельно изготавливать слои МПП. Собранные по базовым отверстиям пакеты заготовок спрессовываются при температуре 75-100 °С, а затем спекаются при 1500-1800°С. Скорость повышения температуры должна
быть оптимальной и не приводить к растрескиванию подложки. Существенное уменьшение линейных размеров (на 17-20%) требует точного расчета
при первоначальном нанесении рисунка на сырые листы.
Технологический процесс изготовления МПП на полиимидных пленках начинается с изготовления ДПП. С помощью двустороннего фототравления за один цикл формируются монтажные отверстия диаметром 50-70
мкм на пленке толщиной 50 мкм. При травлении образуется конусообразная
форма отверстий, удобная для последующей вакуумной металлизации толщиной 1-2 мкм. После избирательного усиления металлизации слоем гальванической меди и технологическим покрытием (Sn—Ni, Sn—Bi, Sn—Pb)
платы поступают на сборку. Многослойные ПП получают приклеиванием
двухслойных плат через фигурные изоляционные прокладки из полиимида к
жесткому основанию, на котором предварительно сформированы контактные площадки. В качестве основания используются металлические пластины с изолирующим слоем (анодированный алюминий, эмалированная сталь
и др.). Электрическое соединение отдельных слоев проводится пайкой в вакууме. Таким образом, можно формировать платы с 15-20 слоями.
5.4 Технология изготовления многослойных печатных плат
Для изготовления МПП разработано много вариантов конструктивнотехнологического исполнения, номенклатура их постоянно обновляется и
совершенствуется. Практический опыт изготовления МПП показывает, что
наиболее технологичным является вариант МПП с металлизацией сквозных
отверстий. Он позволяет получать до 20 слоев МПП, характеризуется высокой плотностью, хорошим качеством межслойных соединений, относительной простотой и экономичностью. При этом методе используются: для
наружных слоев односторонний фольгированный диэлектрик, для внутренних одно- или двусторонний фольгированный диэлектрик, а в качестве межслойной изоляции стеклоткань. Из этих материалов изготавливают заготовки, в которых пробивают базовые отверстия для совмещения слоев и производят очистку поверхностей. На заготовках внутренних слоев рисунок получают с двух сторон негативным фотохимическим методом, выполняя при
127
необходимости контактные переходы химико-гальванической металлизацией. Рисунок наружных слоев получают комбинированным позитивным фотохимическим методом. Изготовленные слои совмещают друг с другом по
базовым отверстиям, прокладывая между ними межслойную изоляцию, и
спрессовывают в монолитную структуру.
Внутренние слои МПП, выполненные на тонком одностороннем фольгированном диэлектрике, после стравливания медного покрытия склонны к
линейной деформации. Поэтому базовые отверстия на технологическом поле заготовок пробивают после операции травления меди, ориентируясь на
специальные реперные знаки.
Процесс прессования является одной из важнейших операций изготовления МПП. Монолитность структуры и точность ее элементов обеспечиваются качеством прокладочной стеклоткани, тщательностью подготовки
слоев, совершенством технологической оснастки и строгим поддержанием
режимов прессования.
Схема технологического процесса изготовления МПП методом металлизации сквозных отверстий приведена на рисунках:
Изготовление слоев по субтрактивной позитивной технологии на ДПП;
. Сборка слоев и изоляционных прокладок;
Прессование;
. Сверление и очистка отверстий;
. Подтравливание диэлектрика;
. Металлизация отверстий, включающая сенсибилизацию и активацию,
химическое меднение, создание защитного рельефа, гальваническое
128
усиление меди, гальваническое осаждение металлорезиста, удаление
фоторезиста, травление;
Создание неметаллизированных отверстий.
Прокладочная стеклоткань, которая поступает на сборку пакетов
МПП, должна содержать 45-52% термореактивной эпоксидной смолы с
отвердителем, находящейся в состоянии неполной полимеризации. Процентное содержание смолы, растворителя и летучей фракции проверяется
при использовании новой партии и через каждые 5 дней применения. При
поступлении нового материала проводятся опытные запрессовки на технологических платах и контроль их качества при термических испытаниях
(нагрев до 120 °С и выдержка в течение 1 ч, термоудар при температуре 260
°С в течение 10 с).
Прессование МПП проводят в специальной пресс-форме с плоскопараллельными плитами, обеспечивающей точное совмещение и фиксацию
слоев с помощью направляющих штырей по углам и через каждые 100-150
мм по периметру плиты. Температурный режим прессования платы предусматривает нагрев пакета до температуры 150-180 °С, удаление летучих
компонентов смолы по мере расплавления и смачивания слоев пакета, полимеризацию и затвердевание смолы, охлаждение пакета до 30-40 °С. При
нагреве пакета для обеспечения теплопередачи необходимо предварительное его сжатие и плотное прилегание пресс-формы к плитам пресса. Для
этого устанавливают первоначальное давление (100-300 кПа), которое препятствует удалению летучих компонентов смолы из прокладочной стеклоткани. Высокое давление прессования должно быть создано до начала затвердевания смолы в момент желатинизации, когда смола перестает течь и
вязкость ее нарастает. Приложение высокого давления (1-4 МПа) до момента желатинизации приводит к выдавливанию большого количества жидкой
смолы и ухудшению сцепления слоев. Приложение давления после момента
желатинизации, перешедшей в твердое состояние, приводит к растрескиванию и образованию пустот, ухудшающих связь между слоями. Для объективного контроля момента желатинизации измеряют объемное сопротивление изоляции склеивающих прокладок. Под воздействием температуры по
мере разжижения связывающего вещества объемное сопротивление падает,
достигая минимального значения в момент начала желатинизации, а затем
по мере отверждения связывающего вещества увеличивается. Регистрация
объемного сопротивления проводится датчиком, который изготавливается
129
на технологических полях заготовок из фольги методом травления. При
сборке пакета МПП слои располагают таким образом, чтобы электроды были обращены друг к другу, а между ними помещалась склеивающая прокладка.
Для прессования МПП применяют гидравлические прессы, оборудованные системами нагрева и охлаждения плит и устройствами для регулирования технологических режимов. Прессы обеспечивают плоскостность и параллельность плит в пределах 0,1 мм, точность поддержания температуры
на их плоскости ±3 °С, давления ±3%. Для повышения производительности
прессования промышленностью выпускаются автоматические линии. Процессы изготовления МПП подробно рассмотрены в специальной литературе.
5.5 Контроль и испытания печатных плат
Технологический процесс изготовления плат, особенно многослойных, состоит из большого числа операций, при выполнении которых возникают неучтенные возмущения, приводящие к отклонениям выходных параметров от номинальных. Контроль и испытание ПП предназначены для
определения качества изготовленных изделий, под которым понимают степень их соответствия требованиям чертежа, технических условий и стандартов. На повышение качества влияют: 1) входной контроль исходных материалов; 2) соблюдение режимов и последовательности операций процесса
производства; 3) использование автоматизированного технологического
оборудования со средствами активного контроля; 4) организация пооперационного и выходного контроля; 5) проведение испытаний.
Входному контролю подвергается каждая партия поступающего на
производство диэлектрика, фоторезиста, трафаретной печатной краски.
Особое внимание уделяется технологическим свойствам материалов. Проверяются и постоянно корректируются электрофизические и химические параметры используемых технологических сред на операциях травления, металлизации.
Операционный контроль качества проводится после наиболее ответственных технологических операций. Число контрольных точек определяется совершенством и стабильностью процесса. Тщательно проверяется качество фотошаблонов и сетчатых трафаретов, монтажных отверстий, межслойных соединений. На этих операциях стремятся использовать автоматизированное технологическое оборудование с системами управления и контроля.
Основными видами выходного контроля ПП являются: 1) контроль
внешнего вида; 2) инструментальный контроль геометрических параметров
и оценка точности выполнения отдельных элементов, совмещения слоев; 3)
проверка металлизации отверстий и их устойчивости к токовой нагрузке; 4)
определение целостности токопроводящих цепей и сопротивления изоляции.
Рассмотрим характерные дефекты, имеющие место при изготовлении
130
ПП.
Расслоение многослойной структуры возникает при использовании
склеивающих прокладок с просроченным сроком годности или низким содержанием смолы, при некачественной подготовке слоев перед прессованием, при нарушении режимов прессования или механической обработки контура.
Теми же причинами вызывается отслоение элементов печатного монтажа. Вероятность его увеличивается при применения узких и длинных печатных проводников, занижения размеров контактных площадок по отношению к размерам просверленных отверстий. Дефект может устраняться
подклеиванием.
Выход отверстий за пределы контактных площадок наблюдается из-за
недостаточной точности оборудования и технологической оснастки, смещения слоев при прессовании, деформации диэлектрических оснований и неправильного базирования ПП при выполнении отверстий. Дефект практически не устраняется.
Вздутие происходит, если между слоями остались воздух или влага
или при прессовании полное давление прикладывается раньше начала желатинизации клея. Дефект не устраняется.
Коробление плат вызывается несбалансированностью конструкции
ПП, неоднородностью склеивающего материала, снятием заготовок с пресса
до полного охлаждения плит. Уменьшить коробление можно терморихтовкой.
Короткие замыкания между элементами печатного монтажа могут
быть вызваны некачественным травлением, смещением слоев при прессовании, малыми расстояниями между элементами печатного монтажа, попаданием посторонних металлических включений между слоями МПП при сборке.
Разрыв токопроводящих цепей обусловливается подтравливанием печатных проводников, наличием глубоких царапин на поверхности исходного
материала, возникновением внутренних напряжений при прессовании, некачественной подготовкой поверхности отверстий перед металлизацией.
Геометрические характеристики ПП - толщина, диаметр отверстий,
расстояние между их центрами, величина коробления, габаритные размеры
и смещение отверстий относительно центра контролируются с помощью инструментов для измерения линейных размеров. Погрешности формы элементов рисунка ПП определяются визуально при (10, 20)-кратном стереоскопическом увеличении.
Проверку металлизации монтажных отверстий проводят разрушающим или неразрушающим методом. При разрушающем методе изготавливают микрошлиф и по нему определяют толщину слоя, равномерность распределения металлизации, структуру покрытия, его пористость, наличие
трещин, качество срастания с элементами печатного монтажа. Экспрессную
проверку качества металлизации проводят по калибровочным графикам измерением омического сопротивления контактного перехода при подаче тока
131
1 А. Границей качественного и некачественного соединений является значение 500 мкОм, которое уточняется для каждого монтажного перехода.
Проверка устойчивости соединений к токовым нагрузкам осуществляется на основе многочасовой работы металлизированных отверстий под током 1-3 А. Ослабленные соединения выгорают или в них увеличивается
температура, изменение которой эффективно и с высокой точностью контролируется тепловизионными системами.
Целостность токопроводящих цепей и сопротивление изоляции между
проводниками проверяются электрическим методом на автоматических тестерах с числовым программным управлением. Печатная плата при помощи
контактного устройства соединяется на входе через коммутатор с блоком
опроса, а на выходе - с измерительным устройством. Контактное устройство
представляет собой матрицу из иглообразных подпружиненных контактов,
расположенных в узлах координатной сетки. На каждую проверяемую цепь
подается сигнал 5-12 В, результат измерения сравнивается с эталонным, и на
основании этого сравнения определяется годность цепи. Снабжение блока
опроса высоковольтным источником (150-1500 В) позволяет контролировать
электрическую прочность изоляции.
Испытания ПП и МПП позволяют в условиях климатических и электрических воздействий оценить их соответствие техническим требованиям,
предъявляемым к аппаратуре, и установить скрытые дефекты. Они разделяются на приемосдаточные, периодические и типовые.
Приемосдаточные испытания проводятся партиями не более 10001200 шт., изготовленными по одной конструкторской и технологической документации, и включают: 1) стопроцентный контроль габаритных и установочных размеров, внешнего вида диэлектрического основания и проводящего рисунка на соответствие конструкторской документации, величины изгиба и скручивания, правильности монтажных соединений на отсутствие обрывов и коротких замыканий; 2) выборочную проверку (3% от партии, но не
менее 3 шт.) сопротивления изоляции в нормальных климатических условиях при ручном контроле и стопроцентную проверку при автоматизированном; 3) выборочный контроль (1-2 платы от ежедневной выработки) толщины металлизации в отверстиях; 4) выборочную проверку (3% от партии, но
не менее 3 шт.) паяемости контактных площадок и металлизированных отверстий, а также их устойчивости к перепайкам.
Периодические испытания ПП и МПП проводятся с целью подтверждения их эксплуатационных характеристик, правильности выполнения ТП
и соответствия конструкторской документации не реже одного раза в шесть
месяцев. Для контроля случайным образом выбираются платы, прошедшие
приемосдаточные испытания в количестве 5 плат при опытном и мелкосерийном производстве и 10 плат при серийном производстве. В объем испытаний входят: 1) многократные изгибы ГПП и ГПК (ГПП должны выдерживать 5-кратный цикл изгибов радиусом 10±0,5 мм, а ГПК 150-кратный цикл
изгибов радиусом 3±'0,5 мм на 90° в обе стороны от исходного положения);
2) перепайка (5-10) отверстий и (5-10) контактных площадок, проверка пая132
емости (1-2 платы); 3) проверка омического сопротивления металлизированных отверстий (3 шт.) и их устойчивости к кратковременной токовой перегрузке; 4) проверка в нормальных климатических условиях целостности
электрических цепей и сопротивления изоляции (но не менее чем на 5 парах
проводников, в том числе цепей питания); 5) контроль внешнего вида, целостности соединений и сопротивления изоляции после воздействия климатических факторов, устанавливаемых в зависимости от группы жесткости
испытаний по соответствующему стандарту.
Типовые испытания проводятся для определения эффективности внесенных изменений в конструкцию и технологию ПП. Программа испытаний
составляется предприятием, изготавливающим ПП, и согласовывается с разработчиком.
5.6 Технологическая оснастка изготовления печатных плат
Точность и разрешающая способность получаемых ПП определяются
качеством используемой технологической оснастки, основными видами которой являются фотошаблоны, сетчатые трафареты и печатные формы
(клише).
Изготовление фотошаблонов.
Изображение рисунка проводников ПП, разработанное на стадии создания конструкторской документации на изделие, должно быть перенесено
на защитную маску фото - или металлорезиста в зависимости от типа применяемого процесса для создания ПП. Для переноса изображения предназначены фотошаблоны (ФШ), представляющие собой негативное или позитивное отображение конфигурации печатных проводников, выполненное в
натуральную величину на светопроницаемом основании. Комплектом фотошаблонов называют то количество фотошаблонов, совмещающихся между собой, которое необходимо и достаточно для изготовления ПП определенного типа и наименования. По назначению они разделяются на контрольные (эталоны), и рабочие, которые изготавливаются с контрольных методом контактной печати и служат для перенесения имеющегося на них рисунка на плату.
Изображение элементов на фотошаблоне должно соответствовать требованиям чертежа и быть черно-белым, контрастным с четкими и ровными
границами при оптической плотности темных полей не менее 2,5-3 ед. и
прозрачных участков не более 0,15-0,2 ед., замеренной с точностью ±0,02 ед.
на фотоэлектрическом денситометре типа. Размеры печатных проводников и
контактных площадок устанавливаются с учетом величины подтравливания.
Фотошаблон должен быть износостойким, иметь минимальную деформацию
при изменении температуры и влажности окружающей среды. В большей
степени перечисленным требованиям удовлетворяют сверхконтрастные фотопластинки и полированные силикатные стекла с металлизированными поверхностями, на которых получают контрольные фотошаблоны. Рабочие
фотошаблоны изготавливают на малоусадочных (не более 0,01-0,03%) фо133
топленках.
На фотошаблоны наносят также технологические контрольные знаки.
Контрольный знак - специальный топологический элемент в виде штриха, щели, креста и пр., служащий для контроля точности изготовления оригиналов и
фотошаблонов и применяемый для совмещения фотошаблонов слоев двусторонних и многослойных ПП, а также при выполнении операции мультипликации.
Обычно фотошаблоны получают на основе оригинала ПП, выполненного также на материале, который имеет стабильные размеры (органическое
или силикатное стекло, алюминий, лавсан и др.), но в увеличенном масштабе 2:1,4:1, 10:1. Оптимальный масштаб выбирается исходя из габаритов ПП,
требуемой точности получения фотошаблона и погрешности изготовления
оригинала, выбранным методом:
M = ор/фш,
где ор, фш - половина поля допуска на изготовление оригинала и фотошаблона. Основными методами получения оригиналов являются вычерчивание,
наклеивание липкой ленты и вырезание эмали.
Вычерчивание изображения оригинала на специальной бумаге или малоусадочной пленке, на которую предварительно наносится непроявляющейся синей краской с шагом 2,5±0,05 мм координатная сетка, осуществляют вручную (в основном, для макетных работ) или на автоматическом чертежном аппарате, управляемом координатографом.
Метод аппликаций состоит в наклеивании на прозрачное основание
калиброванных одиночных и групповых элементов, изготовленных из светонепроницаемой безусадочной антистатической пленки. Для получения
изображения ДПП на одну сторону основания наклеивают красные (желтые)
элементы, а на другую синие (фиолетовые). Последующее фотографирование через соответствующий светофильтр обеспечивает получение совмещенного оригинала рисунков с точностью ±0,2 мм. Метод рекомендуется
для изготовления ОПП и ДПП, простых по конструкции, с пониженной
плотностью монтажа.
Наибольшую точность изготовления оригиналов ПП (±0,05мм) обеспечивает, метод вырезания эмали. Для этого на прозрачное основание наносят равномерный слой гравировальной черной эмали, которую после сушки
вырезают с пробельных мест на универсально-расточных станках, снабженных измерительными микроскопами, или на координатографах. В качестве
инструмента используются пунктирные иглы, граверные резцы, рейсфедеры
с алмазными наконечниками.
Из готового оригинала контрольные фотошаблоны получают масштабным фотографированием на фоторепродуционных полиграфических
камерах с объективами, имеющими высокую разрешающую способность.
Рабочие фотошаблоны изготавливают с контрольных способом контактной
печати. Если ТП предусматривает обработку групповой заготовки (при раз134
мерах ПП до 100 мм), то на специальном оборудовании (фотоштампах) методом мультипликации получают групповой фотошаблон с точным расположением рисунков рядами и строками, общими элементами совмещения и
общим машинным нулем отсчета координат программного сверления отверстий. После экспонирования и мультиплицирования осуществляется химико-фотографическая обработка фотоматериала, контроль полученного фотошаблона, ретуширование - удаление дефектов.
При изготовлении рабочих фотошаблонов необходимо, чтобы размеры элементов топологии и расстояния между ними соответствовали требованиям КД на ПП с учетом технологических допусков на изготовление ПП.
Предельные отклонения размеров элементов топологии в зависимости от
класса точности ПП приведены в таблице.
Класс точности ПП
1
2
3
4
5
Предельные отклонения размеров элементов ±0,10 ±0,05 ±0,03 ±0,02 ±0,01
топологии ФШ, мм
Более прогрессивным является метод получения фотошаблонов сканирующим световым лучом. Он выполняется на лазерных растровых генераторах изображений (фотоплоттерах) сканированием лазерного пятна по
поверхности пленок или стеклянных пластин и испарением маскирующего
покрытия или засветки фотоматериала в соответствии с рисунком ПП. В фотоплоттере имеется библиотека часто повторяющихся в топологических
чертежах элементов и узлов.
При изготовлении крупноформатных шаблонов ПП на стеклах с маскирующим покрытием методом лазерного гравирования погрешность взаимного расположения рисунка составляет ±0,01 мм, точность позиционирования ±0,005 мм, точность повторного позиционирования ±0,002 мм, неровность края изображения ±0,01 мм, погрешность воспроизведения размеров элементов изображения ±0,015 мм, погрешность расположения элементов относительно базового отверстия ±0,015 мм.
Формирование растрового изображения рисунка (оригинала) в фотоплоттере вне зависимости от сложности рисунка происходит с высокой скоростью в течение нескольких минут. Тиражирование фотошаблонов проводится без использования методов контактной печати с высокой точностью.
Работа фотоплоттеров поддерживается входными и выходными форматами
систем автоматического проектирования. Это позволяет:
получать фотошаблоны и программы сверления с цифрового планшета;
просматривать и редактировать ФШ и программы сверления;
создавать групповые заготовки на основе контура ПП одновременно
для всех слоев;
автоматически генерировать по ФШ программы сверления;
подсчитывать площадь металлизации, число контактных площадок
проводников, отверстий, длину проводников и пр.
Время изготовления ФШ, например, размером 550x550 мм с минимальной толщиной линии 0,15 мм и неровностью края экспонируемого элемента ±10 мкм составляет 5-6 мин.
135
Сетчатые трафареты представляют собой металлическую раму из
алюминиевого сплава, на которую натянут тканый материал. К материалу
ткани предъявляются следующие требования: величина просветов должна
быть в 1,5—2 раза больше толщины нитей; на ткани не должно быть дефектов; она должна быть прочной на разрыв, устойчивой к истиранию, эластичной и практически не должна растягиваться в процессе работы, ячейки ткани не должны взаимодействовать с растворителями краски. Наибольшей
точностью и долговечностью обладают металлические сетки из нержавеющей стали или фосфористой бронзы с размером ячеек 40-50 мкм, а наиболее
эластичны сетки из капрона, лавсана, металлизированного нейлонового моноволокна.
Для изготовления сетчатого трафарета на поверхность рамы наносят
специальный клей и укладывают сетку. Сетка равномерно натягивается таким образом, чтобы относительная деформация материала не превышала 68% для капрона, 5-7% для фосфористой бронзы и 2-3% для нержавеющей
стали. Сетка приклеивается к раме и обезжиривается.
Рисунок платы на поверхности сетки получают прямым копированием
через фотошаблон нанесенной фотополимерной композиции. Наносят фотополимер методом полива после создания временной подложки из полиэтилентерефталатной пленки и пластины оргстекла по высоте, равной высоте
трафаретной рамы. Дальнейшие операции - экспонирование через фотошаблон, проявление и контроль качества. Хранятся сетчатые трафареты в вертикальном положении.
Печатные формы.
Конструктивно формы для офсетной печати разделяются на три вида:
высокой печати, глубокой печати и с расположением печатных участков в
одной плоскости. Изготавливают их из алюминия, цинка, сплавов на их основе и пластмасс с помощью травления, гравирования, прессования, обработки гидрофобизирующей жидкостью, сборки из отдельных элементов и
др. Наиболее технологичной, точной и надежной оказалась печатная форма
для сухого офсета. Она представляет собой пластину из алюминия толщиной 0,5-1 мм, на которую наносится тонкая пленка силиконового лака, не
смачиваемого трафаретной краской. На пленке при помощи лазерного гравировального автомата выжигается рисунок ПП. Использование печатной
формы на станке офсетной печати обеспечивает на поле до 500х600 мм точность совмещения контактных площадок ±0,1 мм и производительность 300
отпечат./ч.
136
Глава 6. УСТАНОВКА КОМПОНЕНТОВ НА ПЕЧАТНЫХ
ПЛАТАХ
Главным направлением при производстве электронных модулей остается снижение себестоимости сборки и монтажа печатных плат при поддержании стабильно высокого уровня качества. Операция установки компонентов на печатную плату во многом определяет экономичность и производительность этого процесса. Автоматические системы для сборки электронных
модулей во все большей степени ориентируются на программное обеспечение. Это компьютеризированная техника, управляемая мощными контроллерами, способными обработать большой объем информации в реальном
времени, с широким спектром функций. Безусловно, как механические, так
и программные функции оборудования становятся более сложными, но задача состоит в том, чтобы обеспечить даже более простое управление, как
отдельной машиной, так и комплексной линией на уровне оператора.
Производство печатных плат на стадии сборочно-монтажных операций включает в себя следующие основные этапы:
– подготовка компонентов и материалов;
– нанесение адгезива (клея) и паяльной пасты;
– установка компонентов;
– отверждение клея;
6.1 Компоненты для установки на печатных платах
Известны два основных варианта конструкций узлов на ПП:
–
с использованием монтажных отверстий на ПП для установки
компонентов, имеющих выводы (традиционный монтаж),
–
с установкой компонентов на поверхности ПП без применения
монтажных отверстий (поверхностный монтаж).
На практике встречается несколько различных вариаций конструкций
узлов, среди которых можно выделить характерные группы (рис. 6.1):
1.
Тип I – на двух сторонах платы размещаются только поверхностно-монтируемые компоненты, тип пайки на обеих сторонах – оплавление дозированно нанесенной припойной пасты;
2.
Тип II – с использованием на лицевой стороне поверхностномонтируемых и выводных, устанавливаемых в отверстия, на обратной стороне размещаются только пассивные чип-компоненты, обратная сторона паяется волной припоя;
3.
Тип III – на лицевой стороне только выводные компоненты, на
обратной – только пассивные чип-компоненты, вся плата паяется волной
припоя.
137
Рис. 6.1.
В зависимости от конструкции корпуса компонента и формы выводов
можно выделить три основных группы компонентов:
1.
Поверхностно-монтируемые
компоненты
(surface
mount
component - SMC или surface mount device - SMD). К этой группе относятся
пассивные компоненты (резисторы, конденсаторы, индуктивности) в корпусах, не имеющих выводов (0805, 0603, MELF), ИМ и другие полупроводниковые приборы в базовых технологических корпусах SO, PLCC, OFP, BGA,
TAB, flip-chip, COB, DCA, а также компоненты, аналогичные по исполнению.
2.
Выводные компоненты (Pin Through Hole – PTH или Through
Hole Assembly - THA). Группа включает традиционные пассивные и активные компоненты с осевыми (аксиальными) и радиальными выводами, а также интегральные схемы в корпусах типа DIP (Dual in-line Package).
3.
Нестандартные компоненты (Odd Form Component - OFC). К
этой группе относятся выводные компоненты, не вошедшие во 2 группу, и
включающая в себя соединители, разъемы, трансформаторы, колодки, держатели, экраны и т.д. Группа является самой динамичной, так как усилиями
производителей ряд нестандартных компонентов либо становятся поверхностно-монтируемыми, либо переходят в категорию стандартных аксиально-радиальных.
Пассивные компоненты для поверхностного монтажа изготавливаются в двух модификациях: в виде цилиндра (тип MELF – Metal Electrode
Face bonding) и чипа (параллелепипеда).
Внешний вид чип-резистора для
поверхностного монтажа приведен на
рис. 6.2. Его конструкция представляет
собой прямоугольный параллелепипед с
металлизированными боковыми поверхностями, которые играют роль
Рис. 6.2.
внешних выводов и используются для
пайки. На поверхность керамической подложки наносится методами толстопленочной технологии резистивная пленка, которая и выполняет функции резистора.
Стандартное обозначение пассивных чип-компонентов состоит из 4
цифр, несущих информацию о размере компонента, например: 0402 – длина
138
компонента 4 миллидюйма, ширина 2 миллидюйма. Для большинства пассивных компонентов принята дюймовая система обозначения их корпусов.
Общемировое потребление чип-компонентов быстро растет. Основная тенденция – уменьшение размеров, однако прогресс в этом направлении постепенно замедляется из-за увеличения стоимости компонента с уменьшением
его размера, а также из-за потери коэффициента воспроизводимости многих
сборочных систем при переходе, к примеру, от чипов 0402 к 0201.
Керамические чип-конденсаторы представляют собой структуру из
чередующихся диэлектрических слоев керамики и металлических пленок,
замыкающихся на боковые выводы-электроды. Внешне они мало отличается
от чип-резисторов. Из-за многослойной структуры керамические конденсаторы восприимчивы к тепловому удару, поэтому скорость предварительного
нагрева при пайке не должна превышать 2 °С/сек., а разница температур
между конденсатором и ванной с расплавленным припоем не должна превышать 100°С.
Примерно в таком же виде изготавливаются и другие компоненты:
индуктивности, танталовые конденсаторы, а также некоторые типы диодов.
Большое разнообразие видов и номиналов компонентов при небольшом различии конструкций их корпусов имеет важнейшее значение, поскольку позволяет использовать унифицированное оборудование для установки компонентов на поверхность ПП.
Интегральные компоненты.
Значительно большее разнообразие конструкций корпусов наблюдается у микросхем. Можно выделить 4 типа корпусов:
1.
С вертикальными выводами, расположенными перпендикулярно плоскости корпуса ИМ (DIP, PGA).
2.
С плоскими выводами, выходящими параллельно корпусу
ИМ (Flat Pack – SO, PLCC, QFP, TAB).
3.
Безвыводные корпуса (металлизация контактных площадок на боковых стенках корпуса - LCCC).
4.
С шариковыми выводами на нижней плоскости корпуса
(BGA – Ball Grid Array, flip-chip).
Конструкция корпусов ИМ первой группы характерна для традиционного монтажа, поскольку требует наличия на плате установочных отверстий, в которые микросхема запаивается, или так называемых «кроваток» установочных панелей, в которые микросхема вставляется без пайки.
Корпуса DIP изготавливаются с шагом выводов 2,5 мм, количество выводов от 16 до 64, масса
от 1 до 12 г. Корпуса PGA применяются для микропроцессоров и
ИМ высокой степени интеграции.
Рис. 6.3.
Как правило, они весьма дороги и
устанавливаются в «кроватки» (socket). Шаг между выводами не менее 2,5
мм, количество выводов от 68 до 387. На корпусе могут располагаться пас139
сивные чип-компоненты для развязки электрических цепей. Корпуса PGA
изготавливаются из керамики или пластмассы и используются, как правило,
с принудительным охлаждением (вентилятор на верхней крышке). При
большом количестве выводов микросхемы имеют существенные массогабаритные показатели (масса до 84 г, размеры до 66х66 мм).
Вторая группа корпусов
(рис. 6.4) – самая распространенная,
имеет много подвидов. Отметим
две разновидности группы.
1.
Собственно FP – прямоугольная или квадратная плоская
упаковка (QFP). Выводы расположены с двух или четырех сторон,
количество выводов – от 6 до 304,
Рис. 6.4.
шаг выводов – от 1,27 мм до 0,25
мм, габариты корпуса на плате (длина и ширина) – от 5х5 мм (32 вывода при
шаге 0,5 мм) до 40х40 мм (304 вывода, шаг 0,5 мм).
Для QFP процесс нанесения припойных паст методами трафаретной
печати на контактные площадки ПП остается самым критическим процессом, вызывающим снижение коэффициентов воспроизводимости сборочной
системы. Это приводит к усложнению относительно простых автоматических станков для трафаретной печати, поскольку в таких автоматах не обойтись без автоматического оптического контроля количества и качества нанесения припойной пасты. Особое внимание для этих корпусов уделяется аккуратному обращению при формовке его выводов, тестировании и транспортировке на сборку: для шагов выводов 0,635 мм и менее толщина выводов небольшая и они легко деформируются.
2.
TAB (Tape Automated Bonding, или ТСР – Tape Carrier Package) –
в технологии TAB кремниевые кристаллы крепятся к полимерной ленте, на
которую нанесены металлические пленочные проводники, формирующие
внутренние соединения выводов кристалла. Присоединение выводов чипа к
сборке следующего уровня (печатной плате) достигается при помощи внешних выводов полимерной ленты. Для соединения внешних выводов TAB с
подложкой обычно используются методы контактной пайки, пайки горячим
газом или лазерной микросварки. Сборка очень компактна, высота не превышает 0,75 мм. 320-выводной корпус с шагом выводов 0,25 мм весит не
более 0,5 г и имеет габариты 24х24 мм. Для сравнения: 296-выводной пластиковый QFP корпус весит 9,45 г. Технология TAB освоена ограниченным
кругом ведущих технологических фирм мира.
Третий тип корпусов –
LCCC (безвыводные керамические или пластиковые кристал3.
лоносители, рис. 6.5). ВыполняРис. 6.5.
ется корпус из пластика или керамики. Количество выводов – от 5 до 84. Шаг выводов от 1,27 мм до 0,5
140
мм. Отсутствие выводов позволяет увеличить плотность компоновки узлов.
Несколько более затруднен контроль паяных соединений корпуса с контактными площадками ПП, поскольку часть паяного соединения находится под
корпусом микросхемы. Кроме того, для корпусов больших размеров актуальными становятся дефекты паяных соединений, вызванные усталостным
разрушением металла припоя из-за термоциклирования в процессе эксплуатации изделия.
Четвертый тип корпусов
для ИМ (рис. 6.6) – компоненты
BGA (Ball Grid Array – шариковые выводы с матричным расположением) и технология CSP
(Chip-Scale Packages), флип-чип
(flip chip). Отличительной чертой корпусов является наличие
Рис. 6.6.
контактов на нижней плоскости
корпуса в виде шариковых выводов. Такая конструкция корпуса позволила
увеличить шаг выводов, и для большинства корпусов он составляет 1,0 или
1,27 мм, что упрощает разводку проводников на ПП. Количество выводов
корпуса от 36 до 2401, при этом габариты от 7х7 до 50х50 мм. Высота корпуса не превышает 3,5 мм. Кроме того, шариковые выводы на основе SnPb
сплава дали удивительное послабление технологам при выполнении операций установки корпуса на плату: неточность попадания выводов на контактную площадку ПП может составлять до 50%! Все дело в том, что при оплавлении припойной пасты на контактных площадках во время пайки за счет
сил поверхностного натяжения расплавленного припоя происходит самоцентрирование корпуса микросхемы.
Недостатком корпусов типа BGA является затрудненный контроль
операции пайки и ремонт узлов. Для контроля соединений BGA в узле используются чаще всего рентгеновское оборудование. В последние годы инфраструктура BGA развивалась стремительно, и сейчас известно много видов этого типоразмера, включая пластиковые, керамические, металлические,
и другие, а также микро-BGA, напоминающие собой открытые кристаллы.
BGA предпочтительнее там, где количество каналов ввода/вывода ИС превышает 256.
CSP обычно определяется как
компонент, размером не более чем на
20 % превышающий размер самого
кристалла (рис. 6.7). Первоочередными
областями применения этих компоненРис. 6.7.
тов являются микросхемы памяти
(особенно флэш), аналого-цифровые
преобразователи, процессоры цифровой обработки сигнала, а также микросхемы специального применения (ASIC) и микропроцессоры.
Технология флип-чип представляет собой Si-кристалл, непосредствен141
но устанавливаемый на коммутационную подложку узла (например, ПП)
лицевой стороной вниз, на которой выполнены внешние контакты в виде
припойных шариков из более тугоплавкого сплава, чем SnPb. Из-за того, что
выводы формируются на кремниевом кристалле микросхемы, шаг выводов
является очень малым и составляет 0,152 мм, что приводит к усложнению
ПП. Преимущества технологии:
–
экономия места на ПП;
–
малые габариты и вес узла с такими компонентами;
–
снижение стоимости материалов (у кристалла нет корпуса);
–
сокращение длины электрических соединений, что обеспечивает лучшие электрические параметры;
–
меньшее количество соединений, что сокращает количество потенциальных точек отказа и обеспечивает более эффективный
отвод тепла.
Технология популярна в последние годы, но имеет и свои недостатки:
–
дороговизна технологии формирования шариковых выводов у кристалла;
–
чрезвычайно плотная разводка платы под посадочное место для флип-чипа, что приводит к повышению расходов на изготовление платы;
–
больший объем работы технологов по оптимальному выбору флюсующих веществ и адгезивов в зависимости от вида флипчипа, подложки и процесса;
–
трудности контроля качества в технологии флип-чипов, а
также ремонта плат с их применением.
Нестандартные и выводные компоненты.
Автоматизация сборки на платы нестандартных компонентов весьма
дорога из-за их малого количества на плате и большого разнообразия типов
конструкций. Однако последние годы автоматизация процессов, связанных с
нестандартными компонентами, развивается весьма активно, что приносит
производителям электронных модулей существенные преимущества. Быстро
развивается инфраструктура поддержки данного направления технологии.
Разрабатываются новые типы корпусов, близкие по формам к стандартным,
которые способны выдерживать высокие температуры при пайке оплавлением припойных паст. В последнее время электронная промышленность мира быстро движется к установлению единых стандартов сборочномонтажных технологий при использовании нестандартных компонентов.
Сборочно-монтажные технологические процессы с применением традиционных выводных компонентов стояли у истоков автоматизации сборки
узлов РЭА. В свою очередь, зарождение технологии монтажа на поверхность и ее бурный рост в 80-90-е годы породили мнение о том, что компоненты с традиционными выводами доживают свой век. Однако технология
сборки выводных компонентов выжила перед лицом монтажа на поверхность, показав себя достаточно конкурентоспособной по ряду важнейших
142
факторов.
Инфраструктура технологии монтажа в отверстия гораздо проще и
эффективнее, чем технологии монтажа на поверхность. Это приводит к тому, что в развивающемся производстве отраслевого технического обеспечения сборочные процессы всегда начинают с технологии выводных компонентов, что выгодно и по экономическим причинам, поскольку электронные
изделия специального назначения в лучшем случае являются малосерийными с подавляющим применением выводных компонентов.
В современной технологии сборки выводных компонентов можно отметить следующие тенденции:
– она развивается в тех отраслях, где ощущается недостаток инвестиций, где низка стоимость рабочей силы, и где квалификация операторов, обслуживающего персонала и технологов находится в состоянии развития;
– в ряде случаев полностью отсутствуют компоненты в поверхностномонтируемом виде либо они слишком дороги. Это силовые устройства (регуляторы напряжения, транзисторы, диоды, резисторы), а
также ряд электролитических конденсаторов, потенциометров, индуктивностей, реле и оптоэлектронных устройств.
Ведущие производители оборудования для сборочно-монтажных процессов в технологии выводных компонентов видят своей главной задачей в
ближайшем будущем значительное улучшение технологии сборки и разработки машин и систем нового поколения. Поддержка и инвестиции этого
направления гарантированы, поскольку даже сейчас технология монтажа в
отверстия обеспечивает наиболее низкую стоимость и наиболее высокую
производительность (в пересчете на 1 м2 занимаемой площади), а потому
имеет весьма прочные позиции в значительном количестве сборочных производств.
6.2 Сборка модулей на печатных платах
Конструкции электронных средств состоят из множества деталей. Объединение этих деталей в единую конструкцию осуществляется на этапе монтажа. Перед созданием электрических соединений компоненты устанавливаются на печатную плату в определенной последовательности с заданной ориентацией выводов.
Установка компонентов на ПП является наиболее важной и сложной операцией в технологическом цикле. Производительность установки
компонентов на плату определяет общую производительность монтажного
участка.
Для установки на печатную плату (ПП) широко используются элементы поверхностного монтажа. Они позволяют увеличить плотность монтажа.
При монтаже компоненты устанавливаются на контактные площадки, покрытые припойной пастой. При пайке плата с компонентами нагревается до температуры оплавления припоя. Нагрев осуществляется ИК - излучением или
потоком горячего воздуха.
143
Для плат невысокой сложности используются компоненты, монтируемые в отверстия – резисторы, электролитические конденсаторы, переключатели, соединители, микросхемы в корпусах с торцовыми выводами. Проволочные выводы этих компонентов вставляются в металлизированные отверстия платы.
Сборка состоит из подачи компонентов к месту установки, ориентации
выводов относительно монтажных отверстий или контактных площадок, сопряжения со сборочными элементами и фиксации в требуемом положении.
В зависимости от типа производства компоненты устанавливаются
вручную в единичном, механизировано в серийном и автоматизировано в
массовом производстве.
Ручная сборка.
Наиболее простой, но малопроизводительный метод установки компонентов – ручной, при помощи соответствующего инструмента. В этом
случае большую роль играют субъективные факторы, уровень профессионализма и опыт оператора. Установка сложных и мелких компонентов отнимает у оператора много времени, а для установки компонентов в корпусах
BGA необходимо специальное оборудование. Уменьшение шага компонентов и размеров контактных площадок приводит к повышению требуемой
точности установки компонента на плату. Если для DIP компонента с шагом
2,5 мм достаточна точность ±0,25 мм, то для шага 0,63 мм она возрастает до
±0,05 мм, а для шага 0,5 и менее ±25 мкм. Выдерживать и сохранять такую
точность в течение рабочей смены оператору крайне сложно, поэтому для
поверхностного монтажа более характерна полуавтоматическая или автоматическая сборка.
Применение ручной сборки экономически выгодно при производстве
не более 16 тысяч плат в год партиями по 100 штук. Существенным достоинством ручной сборки является возможность постоянного визуального контроля. При объеме выпуска 0,5 – 5 млн. эл/год и плотностью каждой до 500
элементов, применяют оборудование с пантографами, оснащенное механизированными укладочными головками. Если объем выпуска более 5 млн. штук
в год, целесообразно использовать автоматизированное оборудование с
управлением от ЭВМ.
На ручную сборку компоненты целесообразно подавать подготовленными, уложенными по номиналам в технологические кассеты или магазины.
Основная задача сборщика состоит в оперативной и правильной установке
требуемого элемента на место. На ПП со стороны установки компонентов
способом шелкографии наносится номер элемента и направление установки.
Кассеты для компонентов имеют такие же обозначения и располагаются вокруг места сборщика на удобном расстоянии. ПП устанавливаются в держателе при помощи быстрозажимных фиксаторов. Повышение производительности достигается использованием многопозиционного держателя, в котором
параллельно друг другу располагается несколько ПП.
144
При сборке интегральных микросхем (ИС) используются специальные
механические держатели, обеспечивающие заданное положение всех выводов, или вакуумные захваты.
Фиксация компонентов на поверхности ПП осуществляется различными способами: подгибкой выводов, двумя диагонально расположенными выводами ИС со штыревыми выводами, приклеиванием к плате флюсом, клеем,
липкой лентой или путем установки в специальные держатели на плате. В
оснастку сборки также входят пинцеты, лупы и др.
Производительность и качество ручной сборки повышается при использовании сборочных столов с индексацией адреса установки компонентов (рис. 6.8). Каждое рабочее место комплектуется кассетницей элеваторного или тарельчатого типа, связанной с устройством индексации. Предварительно из пластмассы создается сборочная матрица, в которой в соответствии с чертежом ПП располагаются светодиоды с шагом 2,5 мм, и программируется последовательность подачи сигналов на светодиоды. Параллельно
с этим при помощи ламп маркируются кассеты.
Подготовленная матрица укрепляется на рабочем столе, на нее укладывается ПП и фиксируется по базовым штырям. При подключении сборочного
стола к сети загорается первая пара светодиодов в матрице и лампочка на
кассете (или кассетница поворачивается нужной позицией к окошку в сборочном столе). После установки элемента автоматически осуществляется переход к установке следующего. Знак полярных элементов или первый вывод
многоконтактных элементов указывается мигающим светодиодом.
Заканчивается сборка проверкой качества установки: на матрице не
должен гореть ни один светодиод. Технологические возможности расширяются с применением записи программы последовательности на диске. Индикация места установки компонента на плате производится сверху сфокусированным лучем света, который управляется сигналами с диска. Очередность
установки отражается на экране дисплея. При помощи такого стола за смену
можно установить до 6000 компонентов.
Рис. 6.8 Установка ручной сборки компонентов на печатную плату
145
Механизированная сборка.
Механизированная сборка с пантографом состоит из монтажного стола с двух координатным перемещением. Компоненты поступают на сборку
вклеенными в ленту в заданной последовательности, а призматические компоненты подаются из вертикально расположенных магазинов. ПП устанавливается в держатель по базовым штифтам. Ее позиционирование производится
вручную штифтами базовой плиты, которые попадают в соответствующие
отверстия в ПП. Копирный щуп пантографа вводят в отверстие шаблона и,
обеспечивает блокировку платы.
С помощью копирного щупа пантографа можно позиционировать одновременно несколько держателей ПП, что повышает производительность.
Плата закрывается с помощью маски так, что остаются открытыми
только отверстия, необходимые для сборки. После позиционирования установочная головка захватывает элемент и выполняет ряд операций: а) вырезка
ЭРЭ из ленты, б) загибка выводов, в) вставление выводов в отверстия, г) обрезка выводов, д) фиксация выводов.
Производительность сборочных установок с пантографом достигает 2 –
2,5 тыс. компонентов в час. Фиксация компонентов происходит подгибкой
выводов со стороны пайки. Базовая плата имеет окно, которое позволяет печатной плате смещаться на несколько мм во все стороны по краю. Это окно
необходимо для работы гибочного инструмента. Для крупносерийного и массового производства используется установка параллельной сборки, которая
имеет неподвижный держатель ПП и до 10 установочных головок, расположенных вокруг ПП.
Автоматическая сборка.
Наиболее сложным, дорогим и высокопроизводительным оборудованием являются автоматические установщики. Принцип их работы состоит в
следующем. Файлы САПР транслируются в исполнительные программы,
посредством которых монтажная головка устройства автоматически перемещает компонент из накопителя на место его монтирования на плате. Производительность автоматических установщиков компонентов может доходить до 100 тыс. компонентов в час. Номенклатура устанавливаемых компонентов от ограниченного числа чипов и микросхем, наиболее простых для
установки, до сложных компонентов, таких как чипы 0402 и 0201, ИМ с шагом выводов менее 0,6 мм и корпусов с шариковыми выводами (BGA).
Наиболее дорогостоящее оборудование позволяет монтировать и некоторые
выводные компоненты. Максимальная величина формата плат может достигать значения 457x508 мм. Формат головок для захвата и установки компонентов диктует ограничения на максимальную плотность монтажа платы.
Ограничения на размещение компонентов (зазор между соседними корпусами, высота рядом расположенных корпусов) налагают также установки оптического контроля качества нанесения паяльной пасты и пайки.
В автоматах установщиках большое значение имеет используемое ПО.
Желательно, чтобы оно имело следующие возможности:
146
– оптимизации исполнительной программы установки компонентов с
точки зрения наиболее короткого перемещения головки;
– моделирование работы оборудования, позволяющее вычислять время сборки продукта без реального запуска автомата;
– сбор статистической информации о параметрах работы оборудования;
– возможность отбраковки помеченных бракованных плат;
– защита от несанкционированного или неквалифицированного доступа.
Выбор оборудования необходимо проводить исходя из особенностей
конструкции платы и производительности участка. При лабораторном производстве оптимально использование полуавтоматов. При больших объемах
производства необходимо использование автоматов, которые помимо увеличения производительности повышают качество изделия и снижают вероятность ошибок.
В автоматических станках позиционирование сборочного стола осуществляется с высокой скоростью и точностью при помощи безинерционных шаговых двигателей, управляемых от ЭВМ. Одновременно автоматизируется весь комплекс работ по установке и фиксации компонентов на плате,
включая контроль. Высокая гибкость управления сборочным оборудованием и высокая производительность (18 – 24 тыс. эл/час) позволяет использовать их как в условиях серийного, так и массового производства. Однако
стоимость такого оборудования в 5 - 7 раз выше, чем стоимость станков с
пантографами. Повышаются требования к жесткости станка и точности выполнения рисунка.
Сборочные машины для компонентов с планарными выводами выполняют монтажные операции сразу после сопряжения элементов.
Автоматы снабжаются системами оперативного контроля ИС (модуль
С1-1800 фирмы Northeastern США), модулями загрузки и выгрузки на основе
программируемых роботов, модулями сборки нестандартных элементов (теплоотводов, переключателей и др.)
Автоматические сборочные линии состоят из отдельных сборочных
агрегатов, устройства подачи ПП, транспортной системы и накопителя готовых изделий, объединенных централизованным управлением от мини ЭВМ. Одна линия с 50 станками фирмы Dyna/Pert (США) обеспечивает
установку 500 тыс. эл. в день. Большое значение имеет определение оптимальной длины линии. Чтобы исключить вероятность отказов линии, целесообразно использовать линию с меньшим числом сборочных агрегатов, а
плату собирать за несколько переходов.
При изготовлении небольших партий РЭА используются универсальные сборочные машины (рис. 6.9), которые легко переналаживаются. Информация, необходимая для управления машиной подается из носителя данных (в осн. перфоленты), поэтому переналадка на другой тип плат при достаточно большом числе магазинов означает только замену одного носителя
данных на другой.
147
Универсальные сборочные машины автоматически позиционируют
печатные платы, выбирают компонент из магазинов ЭРЭ, управляют сборочной головкой, фиксируют выводы. Печатная плата базируется на позиционном столе, при этом точную фиксацию обеспечивают отверстия, просверленные по диагонали ПП - базовые отверстия. Этими базовыми отверстиями
ПП насаживается на направляющие штифты стола. Высокую точность расположения базовых отверстий получают совместным сверлением базовых и
монтажных отверстий.
Точность фиксации стола составляет ±0,025 мм.
Позиционирование стола производится шаговым двигателем. Параллельно во времени при позиционировании ПП происходит выборка компонентов и их транспортировка к сборочной головке. Число магазинов должно
быть достаточно большим (20 – 40). Когда заканчивается подача компонента
и позиционирование ПП происходит установка компонента сборочной головкой. После этого выводы фиксируются посредством деформации под платой. Если компоненты имеют много выводов, то достаточно деформировать
несколько из них. Для установки компонентов с планарными выводами сборочные головки снабжаются U – образным электродом для оплавления припоя.
Рис. 6.9. Универсальная сборочная машина
Аспекты применения различных видов сборки.
Применение механизированной сборки принимается во внимание уже
при конструировании ПП. По краю ПП предусматривается поверхность для
базирования на устройстве позиционирования (20 – 30 мм). Компоненты на
ПП располагают построчно и столбцами, их длинные оси должны иметь одинаковое направление, края компонентов желательно, чтобы образовывали
прямую линию.
148
Машинная сборка требует относительно больших подготовительных
затрат для программирования компонентов, высока и стоимость устройств.
Поэтому необходимо заботится о полной загруженности устройства.
Параллельная сборка в виде ударного монтажа годится только для специального применения. Величина партии должна быть очень большой из-за
обширного времени подготовки машин.
Автоматические линии пригодны только для очень большого количества изделий, чтобы оправдать чрезвычайно высокие капиталовложения.
Ручная сборка применяется там, где спектр ЭРЭ на ПП очень большой
и где невозможна стандартизация рабочего места, а также где исполнение
выводов и ИС не допускает надежной механизированной сборки. Большая
плотность упаковки требует также ручной сборки.
Способы позиционирования.
В технологии поверхностного монтажа компонентов различают четыре способа позиционирования компонентов:
•
Конвейерное
позиционирование
("поточнопоследовательное"). Плата движется по конвейеру вдоль нескольких модулей позиционирования. Каждый модуль осуществляет размещение одного типа корпусов (рис. 6.10).
• Последовательное единичное либо
групповое позиционирование. Одна или две
Рис. 6.10
управляемые от ЭВМ монтажные головки выбирают компоненты из питателей и устанавливают их на плате. В
некоторых автоматах подвижная головка перемещается в двух
направлениях (X и Y). Более частот применяются автоматы, где Рис. 6.11
под неподвижную головку подводится подвижный стол для позиционирования компонентов (рис. 6.11).
• Последовательно-параллельное позиционирование.
Последовательно-параллельное позиционирование называют
также синхронно - последовательным, поскольку оно осуществляется в несколько приемов, причем за один прием устанавливается сразу несколько компонентов в корпусах различной сложности. В этом случае автоматы имеют координатный
Рис. 6.12
столик, на котором крепится плата и последовательно расположенные монтажные многозахватные головки. Столик по программе может
перемещаться по осям X-Y. Каждая головка устанавливает свой тип компонента либо последовательно, либо одновременно (рис. 6.12).
• Массовое или поточно-параллельное позиционирование. Многозахватные головки за один прием устанавливают
на плату большой набор компонентов. За одну операцию ими
заселяется часть или вся плата (рис. 6.13).
Метод массового размещения более всего применим к
очень высоким объемам выпускаемой продукции с низкой стеРис. 6.13
пенью смешанности компонентов для различных типов мон149
тажа. Автоматы-укладчики, использующие метод последовательного группового размещения, могут обеспечить высокий уровень гибкости производства, но с более низкой скоростью позиционирования. Они применяются в
случае низкого или среднего объема производства изделий с высокой степенью смешанности монтажа. Последовательно - параллельные автоматы
наилучшим образом приспособлены для средних и высоких объемов работ
при низкой степени смешанности монтажа. В некоторых автоматах предусмотрена возможность смены монтажных головок и захватов. Это увеличивает гибкость производственных линий, хотя и снижает производительность.
Системы подачи компонентов.
При разработке автоматов-укладчиков используют принцип произвольного доступа, заключающийся в том, что компонент выбирается из питателя непосредственно перед позиционированием. Существует несколько
способов подачи компонента в монтажную головку:
Компонент переносится из питателя на место установки с помощью
поворотной башенной головки.
Монтажная головка сама захватывает компонент непосредственно
из питателя и размещает его на плате.
Питатели устанавливаются на каретку, управляемую ЭВМ, которая
в нужный момент подает на сборку требуемый компонент.
От метода подачи компонентов зависит конструкция питающих механизмов. Применение поворотных башенных головок и подвижных кареток
ограничено конструкцией и типоразмерами корпусов, поставляемых на лентах - носителях. Питатели этого типа позволяют производить высокоскоростную сборку. Автоматы с такими системами питания, как лентыносители компонентов, магазины-шины и ячеистые магазины, производят
захват каждого компонента отдельно и имеют низкую производительность,
но они обладают большой гибкостью применительно к разным типам конструкций компонентов.
Производительность автоматов-укладчиков компонентов может
составлять от 500 до более чем 100000 компонентов в час. Автоматы сильно
отличаются друг от друга по своей гибкости, методам позиционирования,
уровню конструктивной сложности, и подразделяются на четыре группы:
Автоматы с производительностью менее 4000 компонентов в час.
Предназначены для выпуска небольших партий изделий в научноисследовательских лабораториях или опытных партий на этапе
освоения техники поверхностного монтажа. Их конструкция разрабатывается с учетом удобства работы в период обучения специалистов. Сюда также входят высокопрецизионные автоматы для позиционирования PLCC.
Автоматы со средней производительностью 4000-6000 компонентов
в час. Большая часть этих машин обладает способностью к гибкой
перенастройке.
150
Высокопроизводительные автоматы: 9000-20000 компонентов в час.
Предназначены для позиционирования чип-компонентов в прямоугольном корпусе или в корпусе типа MELF, а также компонентов в
корпусе типа SO.
Автоматы для массового производства: более 100000 компонентов в
час. Они могут устанавливать только простые чип-компоненты.
Производительность и уровень гибкости автомата - укладчика обусловливают потенциальные возможности его применения. Гибкость
укладчика определяется количеством типоразмеров корпусов компонентов и конструкций питателей, с которыми он в состоянии работать. Малопроизводительные укладчики, обладающие высокой
гибкостью, могут работать со всеми форматами упаковки поставляемых компонентов (лента-носитель, магазин-шина, ячеистый магазин). Гибкость оборудования связана со следующими факторами:
Ограниченным количеством входов загружаемых компонентов различных типоразмеров, обычно менее 60 (увеличение числа типоразмеров корпусов компонентов, с которыми может работать технологическая линия, требует совместного использования нескольких
сборочных модулей).
Высокоточным позиционированием с использованием системы технического зрения, рекомендуемой для установки компонентов с малым шагом выводов (менее 0,635мм).
Перспективной концепцией для монтажных автоматов является концепция, где каждая единица оборудования решает как можно более широкий
круг задач, а применение отдельного станка для каждой отдельной задачи
будет неэкономичным.
6.3 Пайка на печатных платах
Производство печатных плат на заключительной стадии сборочномонтажных операций включает в себя следующие основные этапы: оплавление припоя с помощью печей или в машинах; отмывка плат; выходной контроль; ремонт дефектных плат, если он возможен; влагозащита плат; упаковка.
Для монтажа компонентов контактные площадки платы должны быть
покрыты припоем. Остальная поверхность платы покрывается защитной маской из фоторезиста.
В платах с краевыми соединителями контактные площадки покрываются пленками золота, палладия или родия. Минимальное стабильное сопротивление, высокая износостойкость таких контактов обеспечивается гальваническим осаждением этих пленок в специальных гальванических ваннах.
Технологический процесс монтажа состоит из следующих операций:
1) Нанесение и сушка флюса.
151
2) Предварительный нагрев платы и компонентов.
3) Пайка.
4) Очистка.
6.3.1 Общие сведения
Пайка представляет собой распространенный способ монтажа компонентов в производстве радиоэлектронных узлов. При этом обеспечивается и
механическое крепление выводов компонентов, и электрическое контактирование в соответствии с электрической принципиальной схемой. При пайке
две металлические детали (или детали с металлическим покрытием) соединяются при помощи припоя - третьего металла или сплава. Соединяемые детали не расплавляются сами, расплавляется только припой. Поэтому пайка
имеет более щадящий тепловой режим для деталей, чем сварка. Для получения качественного паяного соединения, обладающего хорошими электропроводящими и прочностными свойствами, необходимо обеспечить несколько условий:
1. Получить чистые металлические поверхности у соединяемых деталей (удалить загрязнения и пленки окислов) с помощью технологического флюса;
2. Нагреть припой выше точки плавления;
3. Обеспечить вытеснение флюса с помощью наступающего припоя;
4. Обеспечить растекание жидкого припоя по металлической поверхности;
5. Обеспечить диффузию атомов из твердой металлической фазы в
жидкий припой и наоборот – образование сплавных зон.
Среди припоев в радиоэлектронике наиболее широкое распространение получили припои на основе композиции олова и свинца (ПОС). Сплав
имеет особую точку, называемую точкой эвтектики. В этой точке температура кристаллизации припоя составляет 183 °С, что значительно ниже точек
плавления Sn и Pb (232 °С и 327 °С).
Флюс является материалом, под воздействием которого происходит
быстрое и совершенное смачивание металлической поверхности соединяемых деталей расплавленным припоем благодаря влиянию сил поверхностного натяжения. Кроме того, флюс обладает свойством растворения и удаления окисных слоев на контактируемых металлах и защиты очищенной поверхности от нового окисления. Остатки флюса должны легко удаляться,
быть не изменять электрические параметры исходного материала и не вызывать коррозии. Распространены флюсы на основе органических кислот из
смол хвойных пород деревьев (канифоль). Известно и большое количество
синтетических материалов.
152
Смачивание, как решающий фактор
процесса пайки, может улучшаться посредством поверхностно-активных веществ флюсов. Качество смачивания можно определить по краевому углу смачиваРис. 6.14
ния (рис. 6.14). Уменьшение поверхностного натяжения припоя в расплавленном состоянии приводит к уменьшению
угла смачивания. Именно в процессе смачивания создаются условия (наряду
с высокой температурой) для создания диффузионных сплавных зон на границах раздела припоя и соединяемых металлов, которые определяют прочностные характеристики паяного соединения. Зачастую прочность диффузионных сплавных зон превышает прочность соединяемых металлов.
В последнее время набирает силу движение за исключение свинца как
токсичного металла из электронных сборок. В поисках сплавов на замену
традиционной композиции SnPb исследовано большое количество материалов, однако абсолютно равноценной замены пока не найдено. ПОС обладает
практически оптимальными свойствами для РЭА: хорошей смачиваемостью,
прочностью, пластичностью, удобной точкой плавления, коррозионной
стойкостью, усталостной прочностью, и, наконец, стоимостью.
Появление на ПП поверхностно монтируемых компонентов существенно изменило технологию пайки. Пайка волной припоя была внедрена в
середине прошлого века и до настоящего времени является единственным
групповым методом пайки компонентов, устанавливаемых в отверстия ПП.
Она выполняется чаще всего погружением обратной стороны платы с выступающими выводами в ванну с припоем. Для пайки плат со смешанным
монтажом (компоненты, монтируемые в отверстия с одной стороны платы и
простые, монтируемые на поверхность с другой) был разработан метод пайки двойной волной припоя.
Для пайки поверхностно монтируемых компонентов была разработана
технология оплавления дозированного припоя. Методами трафаретной печати припой в виде пасты наносится на контактные площадки ПП, затем на
него устанавливаются компоненты. В ряде случаев припойную пасту просушивают после нанесения с целью удаления из ее состава летучих ингредиентов или предотвращения смещения компонентов непосредственно перед
пайкой. Оплавление припоя и получение паяных соединений происходит в
нагревательном устройстве.
В 1973 г. появилась пайка в парогазовой фазе (ПГФ), когда фирма
DuPont разработала и запатентовала специальные жидкие материалы, имеющие температуру кипения 215 °С. С 1983 г. основным конкурентом пайки
в ПГФ стала пайка расплавлением дозированного припоя с помощью инфракрасного нагрева (ИК-пайка). Примерно с этого же времени развивается
пайка в конвекционных печах. В Японии пайка компонентов, устанавливаемых на поверхность недорогих плат с низкой плотностью монтажа, производится с применением нагретого инструмента. Для чувствительных к тепловому воздействию и сложных микросборок с поверхностным монтажом
153
ведущими японскими компаниями была разработана лазерная пайка. Ведущие поставщики сборочно-монтажного оборудования обычно включают
установки для пайки в состав выпускаемых производственных линий.
6.3.2 Пайка в парогазовой среде
Пайка в парогазовой среде (ПГФ) с расплавлением дозированного
припоя применима только к сборкам с поверхностным монтажом. Суть процесса: специальная жидкость нагревается до кипения, затем ее пары конденсируются на ПП, отдавая скрытую теплоту парообразования открытым
участкам сборки. При этом припойная паста расплавляется и образуется паяное соединение между выводом компонента и контактной площадкой платы. Когда температура платы достигает температуры жидкости, процесс
конденсации прекращается, тем самым заканчивается и нагрев пасты. Повышение температуры платы от ее начальной температуры до температуры
расплавления припоя осуществляется очень быстро и не поддается регулированию. Поэтому необходим предварительный подогрев платы с компонентами для уменьшения термических напряжений в компонентах и местах
их контактов с платой. Температура расплавления припоя также не регулируется и равна температуре кипения используемой при пайке жидкости. Такой жидкостью является инертный фторуглерод (например, FC-70).
В первых установках для
пайки в ПГФ применялись две рабочих жидкости. С целью предотвращения утечки паров дорогого
фторуглерода и припоя поверх основной технологической среды из
инертного фторуглерода создавалась дополнительная технологичеРис. 6.15
ская среда из более дешевого
фреона. Основной недостаток этих установок состоял в том, что на границе
двух технологических сред происходило образование различных кислот и
для защиты ПП требовались системы их нейтрализации. Затем стали выпускаться установки для пайки в ПГФ конвейерного типа, встраиваемые в технологические сборочно-монтажные линии. Такие установки имеют относительно небольшие входное и выходное отверстия, позволяющие реализовать
систему с одной технологической средой (рис. 6.15).
6.3.3 Другие методы пайки
Метод пайки расплавлением дозированного припоя с помощью нагретого приспособления разработан в Японии применительно к изделиям бытовой электроники с невысокой плотностью монтажа. ПП с компонентами помещается на теплопроводящий транспортер, содержащий набор специальных пластин, температура которых контролируется. Пластины подбираются
154
по габаритам компонента, прижимают выводы к контактным площадкам и
передают тепло для оплавления припоя. Метод рекомендован к применению
для пайки ТАВ корпусов и flat-pack, имеющих весьма тонкие выводы, подверженные изгибанию. Во время прижима осуществляется разогрев соединения до точки оплавления припоя по запланированному графику, а затем
идет процесс охлаждения паяного контакта, и только затем убирается инструмент. Процесс последовательный, достаточно медленный, однако обеспечивает надежную пайку для ответственных и дорогих деталей.
Пайка расплавлением дозированного припоя с помощью лазерного излучения также является последовательным процессом. Для нагрева соединений применяются твердотельные либо газовые лазеры. Главное достоинство
лазерной пайки заключается в том, что пучок лазерной энергии хорошо фокусируется. Метод особенно эффективен для пайки термочувствительных
компонентов и компонентов с малым шагом выводов. Некоторые из наиболее сложных сборок на платах (например, центральные процессоры вычислительных машин) размером 254x305 мм могут иметь до 10000÷15000 паяных соединений. Главным здесь является качество и надежность паяных соединений, а не производительность установки.
На качество паяных соединений узла влияет множество факторов, в
том числе и выбранный конструктором вариант размещения компонентов.
Корпуса для больших и сверхбольших интегральных микросхем изготавливаются из материалов, которые должны обеспечивать хороший теплоотвод
от корпуса ИМ в процессе эксплуатации. Низкое тепловое сопротивление
корпуса, большая масса и теплоемкость крупных корпусов не позволяют получить одинаковую температуру в области выводов при пайке малых и
больших корпусов, расположенных на плате в непосредственной близости.
Такой эффект необходимо иметь в виду и технологу, и конструктору.
6.3.4 Технология нанесения припойной пасты
Припойная паста.
Для нанесения методом трафаретной печати через металлический
трафарет или для нанесения дозатором разрабатываются различные варианты паяльных паст. Характеристики припойных паст в первую очередь определяются их составом.
Припойные пасты представляют собой смесь мелкодисперсного порошка материала припоя со связующей жидкой основой, в которую входит
флюс. Содержание порошка припоя составляет приблизительно 88% от веса
пасты. Состав паст выражают через соотношение ингредиентов материала
припоя. Так, например, 63/37 означает содержание в составе материала припоя 63% олова и 37% свинца.
Характеристики частиц материала припоя в пасте оказывают существенное влияние на качество паяного соединения. Наиболее важным параметром является размер частиц припоя. Если припойная паста наносится на
ПП через сеточный трафарет, рекомендуется применять припойную пасту, у
155
которой максимальный размер частиц припоя составляет половину размера
ячейки трафарета. Форма частиц материала припоя также оказывает влияние
на процесс трафаретной печати. Частицы припоя сферической формы облегчают процесс трафаретной печати и позволяют получать хорошую воспроизводимость технологического процесса от одной партии изделий к другой
при формировании рисунка припойной пасты. Наличие в пасте частиц другой формы может способствовать появлению загрязнений, затрудняющих
процесс печати, и ускорению процессов окисления материалов припоя.
Пульверизация расплавленного припоя, с помощью которой наиболее просто получить порошкообразные припои, образует частицы преимущественно
сферической формы.
Флюс в составе припойных паст служит не только для активации металлических поверхностей, удаления с них окислов и предотвращения окисления припоя в процессе пайки, но и обеспечивает требуемую растекаемость
и изменение вязкости со временем при нанесении припойной пасты на ПП.
Если состав припойной пасты имеет недостаточную вязкость, она будет растекаться, что приведет к потере точности рисунка. Для уменьшения растекания пасты можно увеличить процентное содержание в ней порошка припоя
или изменить химический состав флюса путем введения в него специальных
вяжущих добавок (загустителей). Но здесь нужно соблюдать меру, ибо в
противном случае может произойти закупорка сопла дозатора или ячеек
трафарета.
Флюс должен удалять окислы с контактируемых металлических поверхностей при пайке. Для эффективного протекания этого процесса очень
важно правильно выбрать необходимый температурно-временной режим
пайки (температурный профиль). Если во время разогрева платы температура повышается слишком быстро, то растворитель, входящий в припойную
пасту в составе флюса, быстро испаряется, что приводит к потере активности флюса, неравномерному расплавлению припоя, разложению или выгоранию его компонентов. Если же нагревательный цикл завершен преждевременно, то окислы в местах паяных соединений могут быть не полностью
удалены.
Для избегания окисления припоя формирование слоя припойной пасты рекомендуется производить в химически инертной атмосфере. Хранение
пасты рекомендуется осуществлять в прохладном месте с температурой от
+5 до +10 °С. Минимальный срок хранения паяльной пасты с флюсом при
такой температуре составляет 6 месяцев с даты производства. Перед применением емкость с пастой необходимо выдержать при комнатной температуре до полной стабилизации в течение 2÷8 часов. Не рекомендуется открывать холодную емкость, это может вызвать конденсацию влаги и ухудшение
параметров паяльной пасты. Категорически не допускается подогрев пасты
нагревательными приборами.
Как правило, паяльные пасты с флюсом полностью готовы к применению и не требуют дополнительных разбавителей. Паяльная паста, которая
не была использована в течение рабочей смены, не должна смешиваться со
156
свежей пастой. Остатки пасты рекомендуется складывать в отдельную тару
и использовать в начале следующей смены. Не рекомендуется использовать
пасту, которая находилась на трафарете две рабочих смены. Если устройство трафаретной печати не использовалось в течение четырех часов, рекомендуется произвести полную очистку трафарета от остатков паяльной пасты.
Распространенными материалами выводов и внешних контактов электронных компонентов являются золото, серебро, палладий-серебро, медь,
луженая медь, и припойная паста должна выбираться таким образом, чтобы
исключить выщелачивание этих материалов. Большинство паяльных паст с
флюсом обладают хорошими клеящими свойствами, достаточными для
удержания компонентов после установки до пайки в течение до 8 часов.
Клеящие свойства пасты зависят от температуры и влажности, поэтому рекомендуется произвести испытания для определения максимального времени удержания пастой компонентов в условиях реального производства. Печатные платы могут быть запаяны в течение 24 часов после нанесения паяльной пасты без ухудшения качества пайки, высокая температура и влажность могут сокращать это время.
Рекомендуемые режимы процесса пайки для наиболее популярных
сплавов Sn63/Pb37 и Sn62/Pb36/Ag2, входящих в состав паст, таковы:
1. стадия предварительного нагрева от 20 до 140 °С, скорость нагрева
1 °С/сек;
2. стадия предварительной сушки от 140°С до 160°С, скорость нагрева 0,5 °С/сек;
3. стадия пайки от 160 до 215 °С, скорость нагрева 2 °С/сек.
Более длительное время стадии пайки может улучшить качество паяного соединения, уменьшить количество и сделать более инертными остатки
флюса после пайки. Более короткое время пайки может также дать хорошие
результаты, однако в этом случае возможно увеличение количества остатков
флюса после пайки. Рекомендуется обеспечить время выдержки выше температуры плавления (+183 °С) в пределах от 30 до 60 сек. Минимальная пиковая температура в зоне пайки должна быть не менее 210 °С в течение 5
сек. Увеличение скорости повышения температуры на стадии предварительного нагрева может привести к увеличению остатков флюса после пайки и
ухудшению внешнего вида паяного соединения. Этот косметический дефект
полностью устраняется при отмывке остатков флюса.
Вышеуказанные рекомендации служат для первоначальной установки
режимов пайки. Конкретные режимы пайки определяются технологом исходя из конструкции печатной платы и оборудования для пайки.
Технология нанесения припойной пасты.
Процесс нанесения паяльной пасты зависит от большого числа составляющих:
– от характеристик оборудования – принтеров, держателей плат и др.;
– от трафаретов – формы и размеров отверстий, качества стенок отверстий, толщины трафарета;
157
– от параметров процесса нанесения пасты – скорости, угла атаки,
давления и жесткости ракеля, скорости отделения трафарета, зазора
между трафаретом и платой;
– от припойной пасты – размера частиц, объемного содержания металла, вязкости пасты, подвижности флюса;
– от параметров рабочего помещения – температуры, влажности, пыли.
Припойная паста может наноситься с помощью механических
устройств для трафаретной печати (ручной способ), с помощью автоматических принтеров, с помощью дозаторов.
Дозаторы – устройства последовательной обработки, паста наносится
по программе в определенном объеме на заданные точки ПП. Автоматический дозатор представляет собой рабочий стол, на который крепится обрабатываемая плата. Над рабочим полем перемещается дозатор, который осуществляет нанесение материалов на плату, для управления используется
персональный компьютер. Ключевые параметры дозаторов: скорость дозирования (до 15 тыс. точек в час) и максимальный формат обрабатываемой
платы (до 450x450 мм). Как и любой последовательный процесс, такой способ нанесения пасты занимает гораздо больше времени, чем трафаретная
печать. Однако для дозатора не требуется разрабатывать и изготавливать
трафарет. При малых объемах производства (единичные платы) для нанесения материалов можно применять и ручное дозирование.
Если на производстве изготавливается большое число конструкций
плат при малом их количестве, то целесообразно применять метод дозирования, особенно при лабораторном производств, так как стоимость изготовления трафаретов (по одному на каждую сторону каждой разновидности
плат) может оказаться больше стоимости изготовления самих плат. В случае
промышленного производства, напротив, нанесение материалов методом
дозирования нежелательно из-за низкой скорости процесса по сравнению с
трафаретной печатью. На крупносерийных производствах стоимость трафаретов не вносит заметного вклада в общие расходы.
Устройства трафаретной печати могут быть как ручными, так и автоматическими.
Ручной принтер представляет собой сравнительно простое устройство: на
металлической раме закрепляется трафарет, после чего раму крепят к рабочему столу, на котором находится плата, давление на ракель осуществляется
оператором вручную. В автоматических принтерах все операции – совмещение трафарета и печатной платы, осуществление приводного давления на
ракель, дозирование припойной пасты на трафарет – выполняются автоматически. Эти устройства могут работать как автономно, так и в составе производственной линии. Основные параметры автоматических принтеров:
максимальный формат платы, который может достигать значения 510х510
мм, и скорость перемещения ракеля (до 150 мм/с).
158
Технологии изготовления трафаретов.
Главная функция трафарета – облегчить размещение припойной пасты. Цель – нанести точное количество материала на точно определенное место на ПП.
Рекомендованные соотношения шага выводов компонентов, размеров
контактных площадок (КП) и размеров отверстий трафаретов приведены в
таблице.
Шаг компонентов,
мм
1,27
1,0
0,825
0,635
0,5
0,425
0,3
Стандарт ширины
КП,
мм
0,635
0,5
0,45
0,4
0,3
0,25
0,2
Стандарт ширины отверстий трафарета, мм
Толщина трафарета,
мкм
0,635
0,5
0,425
0,3
0,25
0,2
0,15
200
150
125
125
125
120
100
Уменьшение размеров отверстий трафарета по отношению к размерам
КП выполняется равномерно со всех сторон и центрируется по КП. Для
уменьшения площади стенок окна трафарета и прилипания паяльной пасты
к стенкам рекомендуется делать скругленные углы окон в трафарете. Оптимальное соотношение площади отпечатка паяльной пасты к площади стенок
окна в трафарете должно быть Sкп/Sбс > 0,80, где Sкп – площадь отпечатка
паяльной пасты на плате, Sбс – площадь боковых стенок окна в трафарете.
Наиболее распространены три технологии для производства трафарета – химическое травление, лазерное
испарение и электроосаждение. Каждая из них имеет
свои особенности. Химически вытравленные трафареты создаются путем травления металлической
фольги, покрытой маской из фоторезиста с двух сторон. Профиль отверстий при этом имеет характерный
вид (рис. 6.16а). При размере шага в 0,5 мм и менее
Рис. 6.16.
такой профиль увеличивает сопротивление прохождению пасты, для его устранения применяют электрополирование стенок
отверстий трафарета (рис. 6.16 б), которое уменьшает поверхностное трение
и позволяет хорошо продавливать пасту.
Трафареты с трапецеидальными отверстиями (рис. 6.16 в) имеют со
стороны основания трафарета большие размеры, чем со стороны вершины.
Трапецеидальное отверстие может быть выполнено двумя способами: изменением размеров маски фоторезиста на разных сторонах фольги или изменением давления струи травителя при обработке разных сторон фольги. Такая форма отверстий подходит для шага компонентов 0,5 мм и выше.
Методом химического травления могут быть получены трафареты
двойного уровня (ступенчатые), которые позволяют варьировать объем при159
поя для компонентов, имеющих различный шаг выводов. Ступенчатость
должна быть на стороне ракеля, так как сторона основания трафарета должна ровно прилегать к плате. Как и в технологии формирования рисунка ПП
методом травления фольги (субтрактивная технология), при химическом
травлении трафаретов возникает боковое подтравливание под маску фоторезиста, вызывающее относительное удлинение размеров отверстий. Это относительное удлинение зависит от толщины трафарета, поэтому размер отверстий определяется к толщине фольги как 1,5 к 1. То есть, при 150 мкм толщине трафарета минимальное отверстие будет 225 мкм.
Метод электроформирования трафарета основан на гальваническом
наращивании металлической фольги (как правило, Ni) на основании (носителе), на котором сформированы «островки» фоторезистивной маски на месте будущих отверстий. Толщина трафарета может варьироваться от 25 мкм
до 0,3 мм и подходит для нанесения пасты для ультрамалых шагов выводов
компонентов: от 0,2 мм до 0,4 мм. Отношение размера отверстий к толщине
трафарета 1 к 1.
Трафареты, формируемые лазерным испарением, изготавливаются
непосредственно по оригинальным данным клиента (Gerber формат) и не
требуют фотолитографии. Прямое формирование позволяет повысить точность и воспроизводимость изготовления трафаретов. По сравнению с химическим травлением края отверстий в ряде случаев могут иметь неровности в силу взрывного испарения металла. Процесс долговременный, т.к. машина вырезает каждое отверстие индивидуально. Трафареты могут быть
произведены комбинированным способом: химическим травлением для
компонентов стандартного шага и лазерным испарением для компонентов
малого шага. Готовый трафарет может быть электроотполирован, чтобы
обеспечить гладкость стенок отверстий. Лазерная методика – единственный
процесс, который позволяет корректировать трафарет во время его изготовления (например, добавлять или изменять существующие отверстия или добавлять реперные знаки).
Процесс трафаретной печати.
Для нанесения паяльной пасты могут использоваться ракели различной конструкции и материала, в том числе стальные или полиуретановые.
Угол наклона ракеля: 60° - стандартный, 45° для компонентов с шагом <0,4
мм.
Для контактных площадок прямоугольной формы имеет значение
направление движения ракеля: вдоль длинной или короткой стороны, поскольку из-за увлечения пасты ракелем вдоль одной из стенок трафарета
остаются небольшие пустоты. Разный объем пасты на разных КП может
приводить к разной высоте припойных столбиков после оплавления припойной пасты. Это может приводить к дефектам типа «открытое соединение» - отсутствию электрического контакта. Для предотвращения таких дефектов ракель движется под углом 45° к наиболее критичным посадочным
местам компонентов. Давление ракеля подбирается опытным путем и зависит от толщины трафарета и скорости перемещения ракеля. После прохода
160
ракеля трафарет должен полностью очищаться от остатков паяльной пасты.
Например, значения первоначальной установки давления металлического
ракеля составляют от 0,12 кг (на каждый см длины ракеля), при скорости
перемещения 50 мм/сек до 0,32 кг, при скорости 150 мм/сек при температуре
+23°С. Увеличение или уменьшение рабочей температуры на 1°С требует
пропорционального изменения давления ракеля на 5%. Скорость печати может составлять от 30 до 150 мм/сек. Скорость разделения трафарета с печатной платой после нанесения паяльной пасты высокая – 20 мм/сек; для компонентов с малым шагом рекомендуется уменьшить скорость до 10 мм/сек.
После нанесения паяльной пасты на 15÷20 печатных плат рекомендуется произвести очистку трафарета с нижней стороны для предотвращения
образования перемычек и шариков припоя в процессе пайки. Для очистки
трафарета необходимо использовать только специальные материалы (бумагу
и промывочные жидкости). Обычные материалы хуже впитывают влагу и
оставляют пыль, нитки и ворсинки, которые могут забивать окна в трафарете и создавать «мостики» между соседними контактными площадками, образуя перемычки припоя в процессе пайки.
6.3.5 Очистка плат после пайки
Обычная ПП содержит много внутренних полостей (в том числе и под
компонентами), имеющих выход на поверхность через узкие вертикальные
зазоры между компонентами или их выводами. Эти полости способны
удерживать продукты разложения флюса и другие загрязнения, которые могут стать источниками коррозии или причиной проникновения внутрь корпусов компонентов веществ, вызывающие повышенные токи утечки. Усиленные попытки очистить плату, например, с помощью органических растворителей, сами по себе могут вызвать механические повреждения или
коррозию.
Как правило, загрязнения бывают либо полярными (ионы), либо неполярными. Свободные ионы, особенно электроотрицательные, обладающие
высокой химической активностью, быстро вступают в реакцию с металлом
коммутационных дорожек и вызывают коррозию. Неполярные загрязнения
ухудшают адгезию припоя, свойства защитного покрытия и электрический
контакт для функционального испытания микросборки.
Органические растворители в соответствии с их очистной способностью можно разделить на три группы. Гидрофобные - не смешиваются с водой, используются для растворения органических загрязнений, например
канифоли и жиров. Гидрофильные - смешиваются с водой, растворяют полярные и неполярные соединения, причем последние в меньшей степени,
чем гидрофобные растворители. Азеотропные - представляют собой в основном смесь вышеуказанных типов растворителей. В их состав обязательно
входят такие ингредиенты, как фреон-113 или тетрахлордифторэтан, с добавками спиртов и стабилизирующих ингредиентов.
161
Очистка изделий с применением растворителей может быть реализована погружением плат в ванну с растворителем, равномерным по полю
платы или направленным в виде струй опрыскиванием, либо комбинацией
обоих методов. Может применяться ультразвуковое перемешивание при
очистке плат в ванне с растворителем. На эффективность очистки может повлиять ряд факторов, в том числе расположение компонентов. Компоненты
должны размещаться на поверхности платы таким образом, чтобы их корпуса не загораживали друг друга при движении потока растворителя. Прерывания движения платы и остановки во время пайки волной припоя должны
быть сведены к минимуму, чтобы флюс нигде не задерживался в полостях
платы. Если используются чувствительные компоненты, рекомендуется обрабатывать микросборки в потоке растворителя. При этом необходимо
обеспечить максимальную однородность потока растворителя, а интервал
времени между пайкой и очисткой уменьшить до минимума.
6.3.6 Технология поверхностного монтажа
Кроме монтажа компонентов с выводами в отверстия все большее развитие получает поверхностный монтаж без выводных компонентов в микрокорпусах или компонентов с планарными выводами. Его преимущества в
следующем: повышение плотности компоновки, так как компоненты можно
монтировать на 2-х сторонах платы; отсутствие операций сверления отверстий, их очистки, металлизации и контроля приводит к снижению затрат на
изготовление ПП; исключение операций выпрямления, обрезки и формовки
выводов; повышение надежности межсоединений, отсутствие коробления
ПП.
Бескорпусные элементы для поверхностного монтажа поставляются на
пластиковых лентах, смотанных в катушки или в специальных трубчатых магазинах. В диэлектрический материал ленты при формировании вводят углеродный наполнитель для придания антистатических свойств. Автоматические укладчики подают компоненты по программе с 60 катушек. Вакуумная
головка захватывает компонент, прокатывает его по барабану, покрытому
паяльной пастой или эпоксидной смолой и устанавливает на требуемое место
на плате. В станке модели Microplacer фирмы MTI (США) программируется
давление захвата компонентов и обеспечивается центрирование и ориентация. Наиболее совершенным является оборудование фирмы Universal
(США).
В нем позиционируют сразу две платы и, пока на одной наносится точно дозированное количество клея, на другой – производится установка компонента.
Монтаж на поверхности может быть выполнен в 3-х различных вариантах. Первый предусматривает на верхней стороне платы монтаж компонентов в сквозные отверстия, а на нижней – поверхностный монтаж. Используется пайка волной припоя, но двойной волной, поступающей из двух резервуаров, что позволяет обеспечить полный охват припоем металлизированных участков по всему периметру. Вторичная волна также удаляет избы162
ток припоя с монтажных соединений. В случае внешнего расположения компонентов на каждой стороне платы (2 вариант) сначала монтируют элементы в микрокорпусах оплавлением припоя, а затем волной припоя – остальные.
Для поверхностного монтажа применяют специальный инструмент,
который захватывает микрокорпус (рис. 6.17, а), опускает его на плату и расплавляет припой на контактных площадках (рис. 6.17, б) и затем поднимается (рис. 6.17, в).
Рис. 6.17. Специальный инструмент для поверхностного монтажа
Толкатель удерживает элемент, пока не наступит кристаллизация припоя. В инструменте с высокой точностью поддерживается температура, чтобы исключить перегрев кристалла в микрокорпусе.
Третий вариант предусматривает установку элементов только на поверхность ПП. Для электрического монтажа используется пайка электросопротивлением, нагретым газом в паровой фазе (конденсационная), сфокусированным световым лучом или ИК-излучением.
6.4 Контроль в сборочном производстве печатных плат
На всех стадиях сборочно-монтажных операций выполняются операции контроля: входной контроль, операционный контроль, выходной контроль. По степени охвата большинство операций относятся к сплошному
контролю, т.е. проверке подвергаются все модули. Обнаруженные дефекты
фиксируются в сопроводительной документации на узел для последующего
устранения, для статистического учета и с целью выявления и устранения
причин их появления. Протоколирование дефектов в соответствии с программой ведет и автоматическое оборудование.
Визуальный контроль с помощью оператора – самый распространенный способ. Оборудование – микроскоп с увеличением от 2 до 10 крат. Качество контроля зависит от квалификации оператора. Такой контроль применяется в лабораторных условиях или на опытном производстве. В сборочных линиях контроль осуществляют автоматические установки.
163
6.4.1 Автоматическая оптическая инспекция (АОИ)
Автоматизированный контроль реализуется в ходе четырех основных
этапов технологического процесса: нанесения припойной пасты, позиционирования компонентов, отверждения адгезива и проверки после пайки.
Очень важна оптимизация процесса трафаретной печати припойной
пасты, поскольку она служит источником дефектов пайки (перемычек и
непропаев), а дефекты, связанные с пайкой, являются основной причиной
отбраковки изделий на выходном контроле. Настоятельно рекомендуется
контроль собранных плат после отверждения адгезива. Вследствие недостаточного или чрезмерного количества нанесенного адгезива компоненты могут оказаться приподнятыми под углом по отношению к поверхности платы
или установленными с разворотом (смещенными в плоскости платы). Это
способствует появлению дефектов при пайке. Отсутствие конвейера для
транспортировки коммутационных плат и перемещение плат вручную (после позиционирования компонентов) в камеру для отверждения адгезива
может привести к смещению компонентов.
АОИ позволяет контролировать:
– нанесение припойной пасты (недостаточное, избыточное, неточное, позиционирование трафарета);
– качество позиционирования компонентов (отсутствие/наличие
компонента, точность позиционирования, включая разворот по горизонтали и вертикали, несоответствие полярности или номера вывода, дефект вывода, наличие посторонних предметов);
– качество паяного соединения (короткое замыкание, непропай, несмачиваемость, излишек или недостаток припоя).
Основой АОИ является формирование изображений объектов и анализ
характерных особенностей их элементов. Двухмерное изображение объекта
формируется оптическими матрицами. Для повышения контрастности изображения используют дополнительное освещение инспектируемой поверхности. Типичными параметрами установки являются: стандартное поле зрения
(порядка 30х50 мм) и поле высокочеткого зрения (порядка 6х8 мм), скорость
сканирования (до 18÷36 см2/сек) и количество одновременно обрабатываемых изображений (как правило, более 70). Используются монохромные системы, двух - и трехцветовые (самые распространенные). Фон теплового излучения от платы и компонентов может создавать помехи, компенсация помех выполняется программными средствами. Изображение оцифровывается,
и формируется матрица, несущая информацию об объекте. Сформированная
картинка может сравниваться с эталонным изображением платы или с информацией о сборке на основании данных CAD и Gerber-файлов. Такие системы позволяют выполнять 100%-ный контроль плат со скоростью до 150
000 компонентов в час, но чувствительны к смене материала платы и компонентов. Большинство АОИ хорошо обнаруживают дефекты расположения
164
компонентов и с меньшим успехом различают дефекты нанесения припойной пасты или качество пайки.
Оптические системы на основе лазеров могут формировать 3-х мерное
изображение объектов. Они применяются и для двумерного анализа сборок,
особенно в тех случаях, когда наблюдаемые элементы имеют малую высоту
или небольшое различие по контрасту (отверстия, реперные точки). Лазерные системы в составе автоматических сборщиков не формируют изображение объекта, а анализируют отражение от компонента, и если присутствует
тень вместо отраженного луча, то компонент пропущен при установке и система выдает соответствующее сообщение.
6.4.2 Рентгеновские контрольные технологические установки
(РКТУ)
Для контроля качества внутренних слоев ПП и качества пайки некоторых типов компонентов применяется анализ изображений, полученных с
помощью рентгеновских установок. Изображение внутренних слоев МПП и
паяных соединений шариковых выводов корпусов типа BGA, скрытых под
днищем микросхемы, может быть получено благодаря высокой проникающей способности рентгеновских лучей и разной способности материалов поглощать рентгеновские кванты. Проникающая способность излучения зависит от его энергии, которая определяется напряжением на рентгеновской
трубке. Для пластика ПП достаточно напряжения в 30 кВ, для исследования
паяных контактов BGA компонента требуется напряжение 100 кВ. Опасности для персонала такое излучение не представляет, поскольку оно полностью поглощается достаточно тонкими металлическими защитными стенками.
Рентгеновские лучи позволяют получать изображения с разрешением
от 0,5 до единиц микрон. Существуют определенные сложности формирования увеличенного изображения объекта в рентгеновских лучах, поскольку
для них не существует линз и других элементов обычной оптики. Основная
задача лежит на алгоритмах обработки изображения, конвертированного детектором квантов в электрический сигнал. Достаточно хорошо с помощью
РКТУ идентифицируются дефекты пайки (непропаи и короткие замыкания),
скрытые под корпусами микросхем. С помощью рентгеновского контроля
можно обнаружить дефекты типа пустот внутри паяных соединений. Широкое применение рентгеновский контроль нашел в производстве МПП для
обнаружения дефектов ширины внутренних проводящих дорожек, расслоения диэлектрика и других. Однако установки весьма дороги, для них характерна низкая скорость контроля, повышенные эксплуатационные расходы.
6.4.3 Электрический контроль
При тестировании электрическим методом платы устанавливаются на
адаптеры, построенные по принципу «поля контактов». Для обнаружения
коротких замыканий и обрывов используется низкое напряжение (10 В).
165
Высоким напряжением (500 В) тестируется изоляция на утечку и пробой.
Наличие тестовых контактов в переходных отверстиях позволяет с высокой
точностью локализовать обрывы. Тестирование плат при помощи этого метода занимает несколько секунд. Самой ответственной частью тестеров является тестовый контакт, так как именно от качества контактирования зависит достоверность информации. Тестовые контакты содержат подпружиненную контактирующую часть. Для соединения с переходными отверстиями, выводами штырьковых компонентов, тестовыми площадками предусмотрены различные формы контактирующих соединений - коронка, игла,
воронка и др. Слабое место в тестерах такого типа - адаптерная часть, индивидуальная для каждой разновидности платы. Учитывая, что номенклатура изделий на больших предприятиях велика, стоимость всех адаптеров может оказаться выше стоимости самой тестовой системы.
Лучшее решение для производства с большой номенклатурой – применение оборудования, работающего по методу «летающих пробников». Тестеры имеют несколько головок с приводами по осям X, Y, Z, на каждой из
которых установлен пробник. Головки поочередно контактируют с платой с
подачей и измерением сигнала, для перехода от одной платы к другой достаточно изменить программу тестирования. Программы перемещения
пробников методом трансляции из систем CAD значительно сокращают
время подготовки тестовой обработки. Вместе с тем метод «летающих
пробников» не обеспечивает высокой производительности тестирования,
хотя цена на оборудование достаточно высока.
6.4.4 Тестирование многослойных ПП и плат для ВЧ-схем
Тестирование многослойных ПП имеет определенные сложности.
Обычные способы («поле контактов», «летающие пробники») позволяют
найти цепи с имеющимися короткозамкнутыми слоями или проводниками,
однако они не определяют их точного местоположения. Если учесть, что
стоимость некоторых МПП достаточно велика, то можно говорить о рентабельности оборудования, позволяющего локализовать и устранять такие дефекты. Для точного определения места межслоевого короткого замыкания
применяется оборудование, работающее по методу «векторного поиска».
Суть его в том, что на область предполагаемого дефекта подается напряжение питания, после чего отслеживается зависимость изменения величины
протекающего тока от положения пробника на ПП. В основе приборов с такой технологией применяются очень точные миллиомметр, микровольтметр
и миллиамперметр.
Платы для ВЧ-схем.
Еще одна особенность оборудования учитывается при тестировании
ПП, предназначенных для высокочастотной техники, или плат с контролируемым импедансом. Дорожку в такой плате нельзя рассматривать как простой проводник. В таком проводнике необходимо контролировать волновое
сопротивление (импеданс). Волновое сопротивление измеряется рефлектометрическим методом. Происходит наблюдение за формой волнового со166
противления линии передачи по всей ее длине, и при этом измеряется коэффициент отражения импульсов с малым временем нарастания. Рефлектометрические приборы представляют собой сложное измерительное оборудование и применяются, как правило, в лабораторных условиях.
6.4.5 Методы тестирования сборок
Методы тестирования радиоэлектронных изделий на стадии производства подразделяются на два класса – внутрисхемное и функциональное.
Каждый из методов отличается способом контактирования с тестируемым
изделием.
Внутрисхемное тестирование выполняет проверку отдельных компонентов на плате или фрагментов схем. Применяются методы исключения
влияния параллельных цепей. При проверке резистора, например, измеряется именно его сопротивление, а не сопротивление цепи, к которой он подключен. Внутрисхемное тестирование подразделяется в свою очередь на
аналоговое и цифровое.
При аналоговом внутрисхемном тестировании обычно проверяется:
– наличие коротких замыканий и обрывов;
– номиналы дискретных компонентов (резисторов, конденсаторов,
индуктивностей, дискретных полупроводниковых приборов);
– наличие и правильность установки микросхем.
Влияние параллельных цепей исключается установкой блокирующих
напряжений, применением метода многопроводного измерения, точным
подбором напряжения и частоты тестирования. Этот метод тестирования
позволяет обнаружить до 80% дефектов сборки, поэтому аналоговое внутрисхемное тестирование часто называют анализом производственных дефектов.
При цифровом внутрисхемном тестировании цифровые микросхемы
проверяются на соответствие таблице истинности. Для исключения влияния
параллельно установленных микросхем (например, при использовании
шинной технологии) на вход тестируемой микросхемы подаются импульсы
большого уровня с ограниченной длительностью. Такой метод называется
backdriving.
Выбор оборудования и метод контактирования для внутрисхемного
тестирования зависит от требований и возможностей пользователя. Метод
клипс и пробников универсален и недорог, но требует больших временных
затрат и высокого уровня подготовки персонала. Обычно его применяют
при единичном производстве и при ремонте. Метод «поле контактов» предполагает изготовление тестового адаптера для каждого изделия, но обеспечивает высокую производительность. Используется в среднем и крупносерийном производстве.
Функциональное тестирование предназначено для проверки работоспособности модуля и, при необходимости, его регулировки и настройки.
167
Контакт с изделием осуществляется обычно через краевой разъем. Тестовое
оборудование, применяемое при функциональном тестировании, выполняет:
– подачу питающего напряжения с возможностью изменения его в
автоматическом режиме, от минимального до максимально допустимого;
– подачу цифровых и аналоговых входных сигналов в широком диапазоне частот и напряжений;
– измерение параметров выходных сигналов;
– эмуляцию нагрузок;
– обмен данными с тестируемым устройством;
– обработку результатов измерений и вывод их на дисплей и принтер
в удобном для пользователя виде;
– накопление и обработку статистической информации.
Технологии современного производства постоянно совершенствуются,
и в условиях жесткой конкуренции все острее ощущается проблема качества. С помощью одного лишь технологического оборудования решить ее
невозможно. Уже сейчас многие отечественные предприятия вводят в производственный процесс системы обеспечения качества, важной частью которых являются системы автоматического тестирования. Они позволяют не
только определять производственные дефекты, но и вести статистический
учет неисправностей для своевременной корректировки процесса производства, и, следовательно, для повышения качества электронного изделия.
6.4.6 Ремонт печатных плат
Большое количество контрольных операций в сборочном производстве направлено на как можно раннее обнаружение возможных дефектов.
Многие ошибки установки компонентов на плату автоматическое сборочное
оборудование может устранять самостоятельно. При дефектах нанесения
припойной пасты плата очищается и поступает на повторную операцию
трафаретной печати.
Операция ремонта узлов выполняется вручную, включается в процесс
сборки после стадии пайки узла и соответствующей операции контроля. Ремонт узла заключается, как правило, в замене дефектного компонента или
корректировки дефектного паяного соединения в соответствии с рекомендациями стандартов на ремонтные операции. Операция ремонта узла должна
быть экономически целесообразной, поскольку процесс замены дефектных
компонентов на уже собранной плате чрезвычайно трудоемок и чреват внесением дополнительных дефектов. Поэтому должны учитываться многие
факторы, в том числе стоимость узла, дефектного компонента, трудозатраты
на ремонт и другие. Дешевые сборки целесообразнее выбрасывать, нежели
ремонтировать.
Демонтаж сложных компонентов поверхностного монтажа является
прецизионной операцией из-за высокой плотности монтажа. Тепло, необходимое для отпайки компонента, может оказать воздействие на соседние чув168
ствительные к нагреву компоненты и повредить саму ПП. Учет на стадии
проектирования требований по обеспечению ремонтопригодности изделия
налагает определенные ограничения на процессы сборки и монтажа и в некоторой степени снижает плотность монтажа.
При демонтаже компонентов в корпусах сложной конфигурации доминирующим способом теплопередачи становится конвекция. Приспособление для демонтажа забракованных компонентов оснащено нагревательными капиллярами для разогрева мест пайки со сменными наконечниками,
рассчитанными на различные формы и размеры компонентов. Капилляры с
наконечниками сконструированы таким образом, что струя горячего газа
(воздуха) направляется на выводы компонента. Удаление дефектного и
установка на его место исправного компонента производится с помощью вакуумного пинцета. В ряде случаев используется микроскоп, который обеспечивает контроль точности позиционирования компонента. Типичная операция по исправлению брака может занять до 30 минут и включает следующие этапы.
1. Подготовка платы к демонтажу компонента:
– очистка паяных соединений, удаление загрязнений и конформных покрытий с помощью растворителя или абразивного материала;
– снятие теплоотвода (если он имеется);
– защита соседних компонентов;
– покрытие флюсом концов выводов компонента, припаянных на
контактных площадках платы, с целью обеспечения надежного
расплавления припоя.
2. Разогрев паяных соединений:
– предварительный разогрев микросборки;
– разогрев выводов исключительно горячим газом (воздухом или
азотом).
3. Снятие компонента со знакоместа с помощью вакуумного пинцета.
4. Очистка платы, удаление остатков флюса, загрязнений и излишков
припоя.
5. Защита подготовленного знакоместа, если замена компонента откладывается.
6. Замена компонента:
– нанесение флюса на концы выводов компонента и места пайки с
последующим их облуживанием;
– позиционирование компонента с помощью вакуумного пинцета;
– оплавление припоя горячим газом;
– очистка платы после пайки с целью удаления продуктов разложения флюса.
Исправление брака, в сущности, сводится к повторному выполнению
определенной части сборочно-монтажных операций. Необходим тщательный контроль и управление процессом устранения брака, чтобы исключить
возможность повреждения годного (заменяющего бракованный) компонента, а также соседних компонентов и элементов коммутационной платы.
Надежной гарантией от проблем, связанных с ремонтом изделий, является
169
обеспечение высокого качества процесса сборки и обязательный контроль
процесса монтажа.
Глава 7. МЕТОДЫ ВЫПОЛНЕНИЯ МОНТАЖНЫХ
СОЕДИНЕНИЙ
Технологические процессы соединений и монтажа ЭС электрический
монтаж, жгутовой монтаж, монтаж на печатные платы и механическую
сборку деталей и узлов. Технология монтажа элементов на печатные платы
рассмотрена в разделе 6.
7.1 Методы выполнения электрических соединений
7.1.1 Классификация методов выполнения электрических
соединений
По результатам исследований 50…80% отказов в аппаратуре происходит из-за некачественных электрических соединений. Качественные характеристики соединений определяются многими факторами, но во всех случаях должны быть обеспечены:
1.
Высокая надёжность и долговечность соединения.
2.
Минимальное омическое сопротивление в зоне контакта и его
стабильность при различных климатических воздействиях.
3.
Максимально достижимая механическая прочность.
4.
Минимальное значение основных параметров процесса контактирования (температуры, давления, длительности выдержки и т.д.).
5.
Возможность соединения разнообразных сочетаний материалов
и типоразмеров.
6.
Стойкость к термоциклированию.
7.
В зоне контакта не должно образовываться материалов вызывающих деградацию соединения.
8.
Качество соединения должно контролироваться простыми и
надёжными средствами.
9.
Экономическая эффективность и производительность процесса.
Основные методы выполнения электрических соединений обеспечиваются на основе: пайки, сварки, соединения, основанные на пластической
деформации контактируемых деталей, соединения токопроводящими клеями.
Пайкой называется процесс соединения металлов в твёрдом состоянии путём введения в зазор расплавленного припоя, взаимодействующего с
основным металлом и образующего жидкую металлическую прослойку,
кристаллизация которой приводит к образованию паяного шва.
Паяные соединения очень широко применяют при монтаже электронной аппаратуры из-за низкого и стабильного электрического сопротивления,
универсальности, простоты автоматизации, контроля и ремонта.
170
Однако методу пайки присущи и существенные недостатки: высокая
стоимость используемых цветных металлов и флюсов, длительное воздействие высоких температур, коррозионная активность остатков флюсов, выделение вредных веществ.
Сварка – это процесс получения неразъёмного соединения материалов под действием активирующей энергии теплового поля, деформации,
ультразвуковых колебаний или их сочетаний. По сравнению с пайкой она
характеризуется следующими преимуществами: более высокой механической прочностью получаемых соединений, отсутствием присадочного материала, незначительной дозированной тепловой нагрузкой, возможностью
уменьшения расстояния между контактами.
К недостаткам метода следует отнести: критичность при выборе сочетаний материалов, увеличение переходного сопротивления из-за образования интерметаллоидов, невозможность группового контактирования соединений, сложность ремонта.
Соединения, основанные на пластической деформации контактируемых деталей, проводов или выводов, выполняются в холодном состоянии. Под действием значительных механических усилий, приложенным к
этим элементам, происходит разрушение оксидных плёнок и образование
надёжного вакуум-плотного соединения. Оно характеризуется высокой механической прочностью, низкой стоимостью, легко поддаётся механизации,
не создаёт помех в цепях низкого напряжения.
Соединение токопроводящими клеями и пастами в отличие от пайки и сварки не вызывает изменения структуры соединяемых материалов, так
как проводится при низких температурах, упрощает конструкцию соединений и применяется в тех случаях, когда другие способы невозможны: в
труднодоступных местах, при ремонтных работах и т.д. Однако широкого
распространения в серийном производстве метод не получил из-за невысокой проводимости, низкой термостойкости и надёжности соединений.
Сравнительная характеристика параметров электрических соединений
приведена в таблице 7.1.
Таблица 7.1
Rперех 10-3,
Ом
Сварка
0,01…1
Накрутка
1,0…2,0
Пайка
2,0…3,0
Обжимка
1,0…10,0
Соединение токо- 1,0….10,0
проводящими
Омм
клеями
Вид соединения
P, МПа
10-9, 1 / ч
RТ, град / Вт
100…500
60,0…80,0
10,0…40,0
20,0…50,0
5,0…10,0
0,1…2,0
0,2…0,5
1,0…10,0
2,0…5,0
10,0…50,0
0,001
0,0005
0,002
0,0008…0,001
5,0
171
Обозначения: Р – механическая прочность; - интенсивность отказов;
RТ – тепловое сопротивление контакта.
7.1.2 Методы выполнения сварных монтажных соединений
Физико-химические основы сварки. Процесс образования сварного
соединения можно условно разделить на четыре стадии:
1) образование физического контакта между поверхностями материалов;
2) активизация контактных поверхностей;
3) объёмное развитие взаимодействия;
4) кристаллизация.
На первой стадии сближаются материалы на расстояние порядка
10…100 нм, при котором между частицами начинает проявляться физическое взаимодействие, обусловленное силами Ван-дер-Ваальса. Под действием этих сил в жидких фазах происходит дальнейшее самопроизвольное
уменьшение расстояний между атомами и их поляризация на фазовых границах раздела с изменением орбит части внешних электронов, которые приводят к снижению потенциальной энергии атомов. При некоторой критической величине начинается перекрытие стабильных электронных оболочек и
появляются силы отталкивания. Достижение минимума потенциальной
энергии соответствует физической адсорбции и завершает первую стадию
образования соединения.
На второй стадии происходит образование на поверхности более твёрдого из соединяемых материалов центров, активных в химическом отношении. Активный центр упрощённо – это частицы со свободными валентностями, которые могут возникнуть при разрыве связей в кристалле, в местах
образования дефектов. Для активизации поверхностей вводится дополнительная энергия: тепловая, деформации, ультразвуковая. При сварке плавлением цепная реакция растекания с выделением энергии поверхностного
натяжения увеличивает площадь контакта вокруг каждой точки взаимодействия. Отдельные контактные пятна начинают сливаться в более крупные
очаги схватывания, происходит коллективизация валентных электронов, которая приводит к образованию металлической связи между контактирующими поверхностями.
С момента образования на контактных поверхностях активных центров наступает третья стадия, при которой развивается взаимодействие соединяемых металлов, как в плоскости так и в объёме зоны контакта. В плоскости контакта оно заканчивается слиянием очагов взаимодействия, что является необходимым условием возникновения прочных химических связей
между материалами
Характерной особенностью кристаллизации сварного соединения является образование зональной структуры, состоящей из ядра, переходной
зоны и неизменяемой зоны основы. Ядро при сварке плавлением представляет собой закристаллизовавшуюся жидкую фазу, которая может состоять
172
из гомогенных кристаллов, твёрдого раствора замещения или внедрения,
интерметаллидов, механической смеси кристаллов и примесей. Структура
ядра определяет качество и надёжность соединения.
Ультразвуковая сварка выполняется за счёт возбуждения в свариваемых деталях упругих колебаний УЗ-частоты при одновременном создании
определённого давления. Для УЗ-микросварки используют оборудование с
частотами 22, 44, 66, 88 кГц. При УЗ-сварке температура нагрева непосредственно в зоне контакта не превышает 30…50% от температуры плавления
соединяемых материалов, что позволяет использовать этот метод для соединения чувствительных к нагреву материалов.
Прочность сварного соединения в основном определяется амплитудой
колебания на рабочем торце инструмента и давлением, приложенным к соединяемым деталям. При малой амплитуде в плоскости контакта происходит замедлённое образование активных центров соединения. Чрезмерное
увеличение амплитуды увеличивает напряжение среза, приводящее к разрушению части узлов схватывания.
Занижение давления замедляет пластическую деформацию и снижает
плотность дислокаций, необходимых для активирования поверхности. Завышение давления увеличивает трение и снижает амплитуду колебаний торца
инструмента. Оптимальное значение давления колеблется от 0,5 до 20 Н/ мм.
Время сварки подбирается экспериментально. Схема УЗ-колебательной
системы состоит из (рис. 7.1): 1 – преобразователя, 2 – волновода, 3 – концентратора, 4 – свариваемые детали, 5 – опора-отражатель, 6 – акустическая
развязка.
Рис. 7.1. Схема У3-колебательной системы
Основным элементом установок УЗ-сварки является инструмент,
форма и размер рабочей части которого имеют важное значение для получения качественных соединений.
Иногда на торце инструмента делают поперечные и продольные канавки, которые обеспечивают эффективную передачу 43-колебаний и обжатие
выводов. Материал инструмента должен обладать высокой износостойкостью, иметь незначительные акустические потери и высокую прочность.
Обычно используются карбид вольфрама. Значительное повышение стойко173
сти достигается химико-термической обработкой инструмента, насыщение
рабочей поверхности марганцем или нанесение покрытия из титана.
Термокомпрессионная сварка – это сварка, которая проводится при
невысоких давлениях с подогревом соединяемых деталей. Достоинства: стабильность сварочного инструмента и его высокая стойкость, малая чувствительность к изменению режима, простота контроля основных параметров
процесса. Недостатки: ограниченное число сочетаний свариваемых материалов (только пластичные), необходимость весьма тщательной подготовки
соединяемых деталей.
При приложении температуры и давления в момент осадки в результате течения пластичного металла вдоль поверхности другого металла происходит очистка места соединения от оксидных плёнок, сближение поверхностей и образование между ними плотного контакта. После сварки за счёт
развития процесса диффузии между свариваемыми материалами полученное
соединение упрочняется.
Основными параметрами режима термокомпрессии являются: усилие
сжатия Р, температура нагрева инструмента или соединения Т, длительность
выдержки под давлением t. Выбор давления определяется допустимой деформацией присоединяемого проводника или максимально допустимым
давлением на присоединяемую деталь. Температура нагрева не должна превышать температуру образования эвтектики соединяемых материалов и колеблется для различных материалов от 250 до 450оС. Длительность выдержки устанавливается в зависимости от сочетания свариваемых материалов и
определяется экспериментально путём оценки прочности соединения.
Тип образующегося соединения определяется формой инструмента:
сварка капилляром (рис. 7.2) дает “обычное” соединение.
Рис. 7.2. Сварка капилляром
Сварка клином (рис.7.3) образует соединения с ребром жесткости или типа
“рыбий глаз” - наиболее прочные соединения, но требуют сложной формы
инструмента.
174
Рис.7.3. Сварка клином
Выбор материала инструмента основан на низкой теплопроводности,
высокой прочности, износостойкости, неокисляемость. Используются карбиды вольфрама и титан, и керамики (оксид бериллия, алюмокерамика).
Термокомпрессионная сварка применяется для присоединения выводов к полупроводниковым кристаллам, микропроводов и проволок между
собой (внахлестку и встык).
Сварка давлением с косвенным нагревом в отличие от термокомпрессии проводится инструментом, который импульсно нагревается проходящим по нему током. Вследствие, кратковременности процесса нагрева,
металлический проводник в месте контакта нагревается до менее низких
температур, чем при термокомпрессии. Это позволяет приваривать проводники из относительно малопластичных металлов к тонким плёнкам на керамических подложках. Высокая точность поддержания температуры и малая
инерционность обеспечиваются при нагреве инструмента током с частотой
следования импульсов 0,5…1,5 кГц.
Сварка расщеплённым (сдвоенным) электродом применяется в
технологии электрического монтажа. Сварку осуществляют инструментомэлектродом, изготовленным из вольфрама или молибдена в виде двух токопроводящих частей, разделённых зазором 0,02…0,25 мм в зависимости от
толщины или диаметра привариваемых выводов. Зазор между электродами
оказывает значительное влияние на глубину проникновения тока и на термическую нагрузку печатного проводника в месте соединения с диэлектриком.
Сварку проводят одним или несколькими импульсами конденсаторного разряда с регулировкой длительности, мощности и интервалов между импульсами. Усилие прижима электродов при сварке (0,2…1,5 Н) создаётся в
момент нагрева до максимальной температуры и снимается по окончания
действия импульса тока.
Качество сварки сдвоенным электродом определяется сочетанием
температур плавления соединяемых металлов, соотношением размеров выводов и толщины печатных проводников, термостойкостью платы. Медные
печатные проводники, вследствие высокой тепло- и электропроводности,
175
плохо свариваются, поэтому их предварительно покрывают электролитическим способом слоем никели или золота.
Недостатками рассмотренного метода являются необходимость никелирования плат и золочение выводов ИС, точное позицирование выводов,
трудность группового контактирования, более высокая стоимость по сравнения с пайкой.
7.1.3 Электрическое соединение методом накрутки
Накрутка – это процесс создания электрического соединения путём
навивки под натягом определённого числа витков одножильного провода на
штыревой вывод с острыми кромками. Под действием приложенного усилия
происходит разрушение оксидных плёнок на соединяемых поверхностях и
врезание острых граней вывода в провод. Образовавшееся газонепроницаемое соединение удерживается благодаря упругим напряжениям, возникшим
в этих элементах. Концентрация напряжений в зоне контакта и среднее давление порядка 15…20 МПа обуславливают взаимную диффузию металлов,
что способствует повышению надёжности соединения.
При монтаже накруткой применяют три вида соединений: немодифицированное, модифицированное и бандажное. Модифицированное соединение от немодифицированного отличается тем, что кроме витков оголённого
провода на выводе имеется 1…2 витка провода в изоляции, которая демпфирует воздействие знакопеременных нагрузок на элементы контакта и
уменьшает усталостные напряжения. Это обеспечивает высокую надёжность
соединений при вибрационных нагрузках. В бандажном соединении соединяемый элемент (провод, вывод, шина и пр.) располагается вдоль широкой
поверхности гранёного вывода и на них накручивается несколько витков
бандажной проволоки (не менее восьми).
7.1.4 Соединение проводящими клеями
Электропроводящие клеи (контактолы) применяют при создании монтажных соединений в тех случаях, когда другие методы оказываются неэффективными: в труднодоступных местах, при ремонте ПП, при низкой термостойкости компонентов.
Клеепроводящие композиции изготовляют на основе эпоксидных смол
холодного и горячего отверждения. В качестве наполнителя используют
мелкодисперсный порошок золота, серебра, палладия, никеля, меди, алюминия.
Свойства электропроводящих клеев зависит не только от типа наполнителя, но и от его концентрации. Необходимым условием получения максимальной электропроводности контактолов является формирование в объёме композиции из частичек наполнителя цепочных структур. Увеличение
количества наполнителя увеличивает проводимость, но одновременно
176
ухудшаются механические свойства соединения. В связи с этим разработан
способ искусственной ориентации металлических частиц никеля под действием магнитного поля, что позволяет увеличить электропроводность в 5 –
10 раз при значительно меньшей концентрацией наполнителя.
7.1.5 Электрические соединения методом пайки
1)
2)
3)
4)
Для образования качественного паяного соединения необходимо:
подготовить поверхности деталей;
активизировать соединяемые металлы и припой;
обеспечить взаимодействие на границе "основной металл – жидкий припой";
создать условия для кристаллизации жидкой металлической прослойки.
Подготовка поверхности деталей. Подготовка включает удаление
загрязнений органического и минерального происхождения, оксидных плёнок, а в некоторых случаях и нанесения покрытий, улучшающих условия
пайки или повышающих прочность и коррозионную стойкость паяных соединений.
Удаление плёнок, препятствующих смачиванию расплавленным припоем, проводят механическими или химическими способами (обезжиривание, травление). При механической очистке удаляется тонкий поверхностный слой металла при помощи режущего инструмента (резца, шлифовального круга, шабера и др.), наждачной бумаги, проволочной щётки.
Для повышения производительности при обработке протяжённых и
сложно-профильных изделий (например, ПП) применяют гидроабразивную
обработку или очистку вращающимися щётками из синтетического материала. Образование шероховатостей поверхности после механической обработки способствует растеканию флюса и припоя, т.к. риски являются мельчайшими капиллярами.
Обезжиривание изделий производят в растворах щелочей или в органических растворителях (ацетоне, бензине, спирте, четырёххлористым углероде, фреоне, спиртобензиновых и спиртофреоновых смесях) путём протирки, погружения, распыления, обработки в паровой фазе или ультразвуковой
ванне.
Современное оборудование для очистки имеет блочно-модульную
конструкцию с программным управлением. Обычно оно снабжается устройствами для регенерации моющих средств и сушки изделий. Эффективным
методом сушки является центрифугирование.
Удаление оксидных плёнок осуществляют травлением в растворах
кислот или щелочей. Состав раствора определяется видом металла, толщиной оксидной плёнки и требуемой скоростью травления. После операции
177
травления детали тщательно промывают с применением нейтрализующих
растворов.
Очищенные детали необходимо немедленно направлять на сборку и
пайку, т.к. сроки хранения паяемости для меди 3…5 суток, для серебра
10…15 суток. В ряде случаев перед пайкой на поверхность соединяемых деталей наносят покрытия, которые улучшают процесс смачивания припоем и
поддерживают хорошую способность к пайке в течении длительного межоперационного хранения. В качестве металла для таких покрытий используют: серебро, золото, палладий и их сплавы, которые наносят гальваническим
или термовакуумным осаждением, а также горячей металлизацией.
На алюминий и его сплавы, технологические покрытия наносят с применением ультразвуковых колебаний. Для этого используются ультразвуковые паяльники, ультразвуковые ванны. Кавитационные явления, возникающие в расплаве, приводят к разрушению оксидной плёнки на поверхности
металла и смачиванию его припоем.
Увеличение срока сохранения паяемости деталей, подготовленных к
пайке, достигается также путём нанесения специальных консервационных
покрытий, большинство из которых не удаляется при выполнении монтажных операций, так как их состав согласуется с составом применяемого флюса. Такие покрытия разделяются на два вида:
1)
на основе канифоли (флюсы ФКСп, ФПЭт, ФКЭт);
2)
консервационные, представляющие собой плёнку щелочных металлов.
Большинство консервационных покрытий вытесняют влагу и их можно наносить на влажные, не успевшие окислится детали. Образовавшаяся
после испарения растворителя плёнка надёжно защищает поверхности металлов от проникновения влаги в течение 5…6 месяцев хранения.
Активация соединяемых металлов и припоя. Нагрев основного металла и расплавление припоя приводят к тому, что их активность снижается,
вследствие взаимодействия с кислородом воздуха и образования оксидной
плёнки. Чтобы удалить образующуюся в процессе пайки оксидную плёнку и
защитить поверхности деталей от окисления, применяют флюсы, газовые
среды, самофлюсующиеся припои или способы физико-механического воздействия (механические вибрации, ультразвуковые колебания и т.д.).
Пайка с флюсами наиболее распространена и общедоступна, так как её
можно осуществлять в обычных атмосферных условиях без применения дорогостоящего оборудования. Расплавленный флюс растекается по паяемой
поверхности и припою, смачивает их и вступает с ними во взаимодействие,
в результате которого удаляется оксидная плёнка. Основными причинами
удаления оксидов металлов являются:
1)
химическое взаимодействие между флюсом и оксидной плёнкой
с образованием растворимого во флюсе соединения;
178
2)
химическое взаимодействие между флюсом и основным металлом, в результате которого происходит отрыв оксидной плёнки и перевод её
в шлак;
3)
адсорбционное понижение прочности оксидной плёнки и её
диспергирование;
4)
растворение оксидной плёнки основного металла и припоя во
флюсе.
Применение флюсов нередко приводит к тому, что флюсовые остатки
и продукты взаимодействия их с оксидными плёнками образуют в паяном
шве шлаковые включения, что снижает прочность и коррозионную стойкость, нарушает герметичность соединения. Этого можно избежать, если перейти на бесфлюсовую пайку в газовых средах или в вакууме.
Газовые среды, применяемые при пайке, разделяются на нейтральные
и активные. Типичными представителями нейтральных сред являются: азот,
аргон, гелий, криптон. Активные газовые среды: водород, оксид углерода,
азотно-водородная смесь и др. Они не только защищают от окисления детали и припой, но так же удаляют с их поверхности уже образовавшиеся оксидные плёнки.
Однако газовые среды могут вступать во взаимодействие с паяемым
металлом и припоем, образуя нежелательные продукты реакции (гидриды,
нитриды, карбиды), которые ухудшают физико-химические свойства соединений.
Сущность физико-химических методов удаления оксидных плёнок с
поверхности паяемых металлов заключается в их разрушении под слоем
жидкого припоя с помощью ультразвука.
В самофлюсующихся припоях высокой активностью обладают не
только сами флюсующиеся компоненты, но и их оксиды. По своему составу
и характеру действия самофлюсующиеся припои можно разделить на четыре группы:
1)
2)
3)
4)
припои со щелочными металлами (Li, K);
с бором;
с фосфором;
с несколькими компонентами.
Взаимодействие на границе основной металл-жидкий припой. От
того, как хорошо расплавленный металл смачивает поверхность основного
металла, зависит прочность, коррозионная стойкость и другие свойства паяных соединений.
Следующей стадией взаимодействия является растекание припоя по
плоской поверхности, которая продолжается до тех пор, пока не установится
равновесие векторов сил поверхностного натяжения в точке на границе
трёх фаз (рис.7.4) в соответствие с уравнением
179
2,3
3
2
1,3
1,2
1
Рис7.4. 1 – основной металл; 2 – жидкий припой; 3 – пары флюса.
1,3 = 1,2 + 2,3 cos ,
где 1,3 – натяжение на границе твёрдой фазы и газа; 1,2 – натяжение на границе твёрдой и жидкой фазы; 2,3 – натяжение на границе жидкой фазы и газа; cos - коэффициент смачивания.
Решая уравнение относительно коэффициента смачивания, получим
cos = (1,3 - 1,2) / 2,3 .
Из этого уравнения видно, что чем выше поверхностное натяжение
припоя в расплавленном состоянии 2,3 , тем хуже смачивает он основной
металл. Однако поверхностное натяжение металлов не характеризует однозначно способность их в расплавленном состоянии течь по поверхности
твёрдого металла. Растекание припоя определяется соотношением сил адгезии припоя к поверхности основного металла и когезии, характеризуемой
силами связи между частицами припоя:
К = 2,3 (cos - 1),
где К – коэффициент растекания.
На процесс смачивания и растекания припоя оказывают влияние и
технологические факторы: способ удаления оксидной плёнки в процессе
пайки, характер предшествующей механической обработки, режим пайки и
др. Так при флюсовой пайке флюсы действуют как поверхностно активные
вещества, которые снижают поверхностное натяжение расплавленных припоев, что способствует улучшению смачивания паяемой поверхности.
Под действием капиллярного давления припой поднимается по капилляру на высоту h:
h = 22,3 cos / g,
(7.1)
где - суммарный зазор, g – ускорение свободного падения, - плотность
припоя.
В горизонтальном капилляре шириной для припоя с вязкостью
продолжительность затекания t на длину капилляра l приближённо равна
180
t 6l2 / 2,3 cos .
(7.2)
Как показывает анализ (7.1) и (7.2), скорость затекания в горизонтальном капилляре и высота подъёма в вертикальном уменьшаются при снижении поверхностного натяжения между припоем и флюсом. Эффективность
пайки определяется также величиной зазора между паяемыми элементами,
он находится в пределах от сотых до десятых долей миллиметра и зависит
от пары "припой – основной металл", применяемого флюса и способа пайки.
Максимально допустимый зазор при пайке max в зависимости от высоты
поднятия припоя определяется по формуле
max
57,3 (r b h n )
1
cos
,
2
r
где r – радиус вывода; b, n – постоянные величины.
В процессе растекания припоя происходит взаимодействие жидкой
фазы припоя с основным металлом, проявляющееся в растворении и диффузии металлов. Скорость и глубина этих процессов зависит от природы взаимодействующих металлов, температуры, скорости и времени нагрева,
напряжений в основном металле.
Кристаллизация металлической прослойки. После удаления источника тепловой энергии наступает стадия кристаллизации металлической
прослойки, которая оказывает большое влияние на качество паяных соединений. Кристаллизация в шве начинается на основном металле, который
оказывает сильное ориентирующее воздействие на расплавленный припой, и
на тугоплавких частицах. На структуру паяного соединения влияют зазор,
так как он определяет температурный градиент расплава, величину и протяжённость области концентрированного переохлаждения, а также скорость
снижения температуры. При прочих равных условиях уменьшение зазора, а,
следовательно, толщины кристаллизующейся жидкости приводит к таким
изменениям указанных факторов, что дендритная форма кристаллов (при зазоре 0,5…2 мм) постепенно уступает место ячеистой (0,3…0,4мм), а ячеистая – преобладающему росту кристаллов с гладкой поверхностью
(0,1…0,2мм). Характерным для кристаллизации при пайке является ярко
выраженная ликвация шва, связанная с образованием зональных неоднородностей, дендритных образований, отличающихся меньшей прочностью.
7.1.6 Выбор материалов для монтажной пайки
Флюсы. Флюсы, образуя жидкую и газообразную защитные зоны,
предохраняют поверхность металла и расплавленного припоя от окисления,
растворяют и удаляют плёнки оксидов и загрязнений с поверхности, улучшают смачивание металла припоем и растекание припоя за счёт уменьшения
сил поверхностного натяжения. Выбор флюса производится, исходя из
требуемой химической активности, которая должна быть наибольшей,
181
в интервале температур, определяемом температурами плавления припоя. Он должен быстро и равномерно растекаться по паяемым материалам,
хорошо проникать в зазоры и удаляться из них, легко вытесняться расплавленным припоем, быть экономичным. Правильно выбранный флюс ускоряет
процесс пайки при минимально возможных температурах, что важно при
сборке термически чувствительных элементов РЭА.
В зависимости от температурного интервала активности флюсы разделяются на низко- и высокотемпературные. Для электромонтажных соединений в основном применяются низкотемпературные флюсы, которые по
коррозионному действию разбиты на пять групп:
1)
некоррозионные, неактивированные;
2)
некоррозионные, слабоактивированные;
3)
слабокоррозионные, активированные;
4)
коррозионные, активированные;
5)
коррозионные, высокоактивированные.
По своему составу флюсы делятся на две группы. К первой относятся
смолосодержащие флюсы на основе канифоли или полиэфирных флюсующихся смол (ПН-9, ПН-56). Они обладают широкой универсальностью не
снижают электрического сопротивления подложки ПП, не вызывают коррозии соединяемых металлов. Флюсы этой группы обладают слабой химической активностью и предназначены для пайки легко паяемых металлов.
Канифольные флюсы активированные (2…3,5% органических кислот:
бензойной, салициловой и др.) обладают повышенной активностью и используются при групповой и ручной пайке многослойных ПП. Сильное влияние этих флюсов на сопротивление изоляции диэлектриков и коррозию
проводников требуют обязательной отмывки остатков флюса после пайки.
Ко второй группе относятся коррозионные, активные флюсы не содержащие смол. Для повышения активности флюсов в и их состав вводят
активизирующие добавки: анилин, гидрозин, триэтаноламин, диэтиламин и
т.д. Основное применение они нашли в процессе лужения и восстановления
паяемости монтажных элементов после хранения на складе.
Составы некоторых широко используемых флюсов.
ФКСп; ФКЭт.
Состав: сосновая канифоль 10…60%, этиловый спирт 90…40%.
Паяемый материал: медь, серебро, олово, цинк, олово-свинец, золото,
олово-висмут.
Применяемые припои:
кадмиевые, серебряные.
оловяно-свинцовые,
оловяно–свинцово-
182
Область применения: пайка и лужение деталей и проводников в изделиях специального назначения, консервация в условиях складского хранения.
ФКТ .
Состав: сосновая канифоль
0,05…0,1%, этиловый спирт отальное.
Применяемые
висмутовые.
припои:
10…40%,
метабромид-дипситена
оловяно-свинцовые,
оловяно-свинцово-
Паяемые материалы: медь, серебро, олово, кадмий, цинк, оловосвинец, олово-висмут, золото.
Область применения: пайка и лужение контактных соединений и поверхностей в изделиях специального назначения.
ЛТИ-120.
Состав: сосновая канифоль 20…25%, солянокислый диэтиламин
3…5%, триэталомин 1…2%, этиловый спирт остальное.
Применяемые припои: оловяно-свинцовые, серебряные.
Паяемые материалы: сталь, медь, никель и его сплавы, олово, серебро,
кадмий, цинк, олово-свинец, олово-висмут.
Область применения: пайка и лужение деталей и проводников в изделиях широкого применения.
Припои. В качестве припоев используются различные цветные металлы и их сплавы, имеющие более низкую температуру плавления, чем соединяемые металлы. Исходя из температуры плавления, припои разделяются на
низко-, средне- и высоко температурные. Для пайки монтажных соединений
ЭС применяют преимущественно низко- и среднетемпературные припои
(Тпл 450 0С). Основными компонентами низко- и среднетемпературных
припоев являются олово и свинец, к которым для придания специальных
свойств могут добавляться присадки сурьмы, серебра, висмута, кадмия. Так,
серебро и сурьма повышают, а висмут и кадмий понижают температуру
плавления и затвердевания припоя. Механическая прочность припоев повышается с увеличением содержания олова, при этом одновременно увеличивается и его стоимость, так как олово приблизительно в 20 раз дороже
свинца.
Выбор марки припоя определяется назначением и конструктивными
особенностями изделий, типом основного металла и технологического покрытия, максимально допустимой температурой при пайке ЭРЭ, а также
технико-экономическими и технологическими требованиями, предъявляемыми к паяным соединениям.
К техническим требованиям относятся достаточная механическая
прочность и пластичность, заданные теплопроводность и электрические ха183
рактеристики, коэффициент термического расширения (КТР), близкий к
КТР паяемого металла, коррозионная стойкость, как в процессе пайки, так и
при эксплуатации соединений. Припой должен быть экономичным и не содержать дефицитных компонентов.
Технологические требования к припою предусматривают хорошую
смачиваемость соединяемых им металлов, высокие капиллярные свойства,
малый температурный интервал кристаллизации для исключения появления
пор и трещин в паяных соединениях, возможность дозирования его в виде
проволоки, трубок с наполнением их флюсом, шариков таблеток и т.п.
С появлением в технологии РЭА поверхностного монтажа усиленно
разрабатываются припои в виде паяльных паст. Паяльная паста представляет собой однородную суспензию порошка легкоплавкого припоя (диаметр
частиц 5…25 мкм) во флюсующей связке, в которой кроме флюса (обычно
канифоль) входят активатор, растворитель, дефлокулянт, антиоксидант и др.
Качество паяльной пасты определяется размерами частиц и степенью однородности гранулометрического состава. Чем меньше размеры шариков припоя, тем точнее паста будет нанесена через сетчатый трафарет на контактные площадки ПП.
Марки припоя, их состав и назначение.
ПОС – 40, tплавл. 183 – 2380С.
Состав: олово 39…41%, свинец 61…59%.
Паяемый металл: медь, никель и их сплавы; ковар, серебро, золото,
олово и его сплавы, кадмий.
Область применения: пайка и лужение деталей и монтажных проводов, жгутов, наконечников, проходных стеклянных изоляторов.
ПОС – 61, tплавл. 183 – 1900С.
состав: олово 60…62%, свинец 40…38%.
Паяемый металл: то же, как ПОС – 40.
Область применения: пайка и лужение выводов интегральных микросхем и ЭРЭ, печатных плат, микропроводов, плёночных покрытий, работающих при температуре не более 1000С.
ПОСК 50 – 18, tплавл. 142 – 1450С.
Состав: олово 49…51%, кадмий 17…19%, свинец остальное.
Паяемый металл: то же.
Область применения: пайка и лужение ЭВА, керамических изоляторов, конденсаторов, проводов и т.д., не допускающих нагрев выше 1000С.
ПОССу 61 – 0,5, tплавл.183 – 1890С.
Состав: олово 60…62%, сурьма 0,2…0,5%, свинец остальное.
184
Паяемый металл: медь, никель и их сплавы, ковар, сталь, цинк, серебро, металлические и неметаллические материалы.
ПсрОС 3,5 – 95, tплавл. 220…2250С.
Состав: свинец 5…6%, серебро 3,1…3,5%, олово остальное.
Паяемый металл: медь, никель и его сплавы, неметаллы с напылённым
химическим или гальваническим покрытием, палладий.
Область применения: пайка и лужение монтажных элементов изделий
узлов ЭВА (соединение допускает электролитическое покрытие)
Очистные жидкости. Очистные жидкости предназначены для отмывки изделий от флюса после пайки. При выборе очистной жидкости необходимо учитывать состав остатков, её растворяющую способность, рабочую
температуру, время и условия отмывки, влияние на элементы конструкции,
токсичность и пожароопасность. Водорастворимые флюсы отмывают в проточной горячей (60…800С) и холодной воде с помощью мягких щёток. Канифольные флюсы в процессе индивидуальной пайки промывают этиловым
(изопропиловым) спиртом. При групповой пайке применяют ультразвуковую очистку или очистку щётками в спирто-бензиновой смеси (1:1), трихлорэтилене или хлористом метилене. Хорошие результаты получены при
использовании фреона или смесей на его основе. Фреон характеризуется высокой чистотой (98,8%) и низким поверхностным натяжением, в результате
чего он проникает в мельчайшие отверстия. Этот растворитель не воспламеняется, не ядовит, не разрушает резину, лаки, краски и большинство полимеров, легко регенерируется путём дистилляции, но экологически опасен.
Выбор конкретного материала для пайки производят в соответствии с
отраслевыми стандартами.
7.1.7. Технология выполнения пайки
Среди методов выполнения монтажных соединений в РЭА пайка занимает доминирующее положение. В зависимости от типа производства она
выполняется индивидуально с помощью нагретого паяльника или различными групповыми методами. Индивидуальная пайка эффективна при монтаже ПП в условиях единичного и мелкосерийного производства, для проводного монтажа, при запаивании элементов со штыревыми выводами на
одной стороне ПП после выполнения пайки групповым способом на второй
стороне, при макетных, ремонтных и регулировочных работах. К основным
преимуществам групповой пайки относятся: строгое поддержание технологического режима, повышение производительности, увеличение надёжности
соединений, лёгкость автоматизации. Но с их применением повышаются
требования к однородности и качеству подготовки поверхностей, возникает
необходимость в разработке мер по предотвращению перегрева термочув185
ствительных элементов и подбора конструктивно-технологических решений
по устранению характерных дефектов (сосулек, перемычек, наплывов и др.),
усложняется процесс отмывки более активного, чем при индивидуальной
пайке, флюса, который наносится в больших количествах. Выбор метода
пайки зависит от программы выпуска изделий, особенностей конструкции,
требований к качеству.
Технологический процесс пайки состоит из следующих операций:
1) фиксация соединительных элементов с предварительно подготовленными к пайке поверхностями;
2) нанесение дозированного количества флюса и припоя;
3) нагрев деталей до заданной температуры и выдержка в течение
ограниченного времени;
4) охлаждение соединения без перемещения паяемых поверхностей;
5) очистка соединений;
6) контроль качества.
Индивидуальная пайка паяльником.
Требуемый температурный режим при индивидуальной пайке обеспечивается теплофизическими характеристиками применяемого паяльника:
1) температурой рабочего конца жала;
2) степенью стабильности этой температуры, обусловленной динамикой теплового баланса между теплопоглощением при пайке, теплоподводом
и теплозапасом в паяльном жале;
3) мощностью нагревателя и термическим КПД паяльника, определяющими интенсивность теплового потока в паяемые соединения и необходимую температуру пайки.
Температура рабочего конца жала, измеряемая на холостом ходу,
задаётся на 30… 700С выше точки ликвидуса припоя. Номинальное значение температуры определяется термической чувствительностью элементов. В процессе пайки температура жала паяльника снижается за счёт теплоотдачи, что при малой мощности нагревателя ограничивает число последовательно выполняемых соединений. Рекомендуемые мощности паяльников
для пайки микросхем 4…18 Вт, для печатного монтажа 25…60 Вт, для проводного (жгутового) монтажа 50…120 Вт. Выбор мощности паяльников с
учётом КПД (25…55%) производится в соответствии со средним теплопоглощением при многократной пайке элементов.
Стабилизация температуры производится с помощью:
1) массивного жала (до 3 мм для микропаяльников) и близкого расположения нагревателя;
2) импульсного нагрева, который эффективно восполняет потери тепла в процессе пайки;
186
3) электронных регуляторов, работающих на основании специальных
датчиков (термопар);
4) использование для нагревателей материала, изменяющего своё
электрическое сопротивление или магнитные свойства.
В качестве материала для паяльных жал используют медь ввиду её высокой теплопроводности. Но вследствие химического взаимодействия с расплавленным припоем и флюсом, термоударов, окисления кислородом воздуха и структурных изменений долговечность такого жала составляет
700…1000 паек, после чего его перезатачивают. Нанесение на жало химического никеля увеличивает период между заточками до 1500 паек, а гальванический никель толщиной до 90…100 мкм – до 2000 паек.
Температура пайки для наиболее широко распространенного припоя
ПОС- 61М составляет 280100С и время пайки 1…3с. Пониженная температура приводит к недостаточной жидкотекучести припоя, плохому смачиванию, образованию "холодной пайки". Завышенная температура вызывает
обугливание флюса, выгорание компонентов припоя, эрозию материала паяльного жала.
7.1.8 Подготовка компонентов ЭС к монтажу
Подготовка ЭРЭ и ИС включает распаковку компонентов, рихтовку,
зачистку, формовку, обрезку и лужение выводов, а также размещение компонентов в технологической таре. На ПП оплавляется монтажное покрытие в
нагретом глицерине или ИК-излучением. Маркировочные знаки наносятся
методом шелкографии.
Для проведения подготовительных операций резисторов, конденсаторов, транзисторов cо штыревыми и планарными выводами разработано многочисленное технологическое оборудование и оснастка различными отечественными и зарубежными фирмами.
В мелкосерийном производстве подготовка осуществляется пооперационно с ручной подачей компонентов. При массовом производстве – на установках комплексной подготовки с автоматической подачей элементов в зону обработки.
Рихтовка (выпрямление), формовка и обрезка осуществляется в штампах с пневматическим приводом и набором сборных элементов.
Схема автоматического оборудования для комплексной подготовке
ЭРЭ с аксиальными выводами представлена на рис. 7.5.
187
Рис. 7.5 Схема автоматического оборудования для комплексной подготовке ЭРЭ
с аксиальными выводами
Схема включает транспортер (1) с ЭРЭ (2), проходящими из вибробункера (3) к механизму рихтовки (4) и далее через механизм зачистки (5), обрезки (6), флюсования и облуживания (7), формовки (8) и разгрузки (9).
Производительность такой схемы 50 эл/ мин. Подача элементов может
быть ручной (производительность 1.5 – 3 эл/ ч), из вибробункера (5 – 10 тыс.
эл/ ч, и с ленты (до 20 тыс. эл/ ч).
Подготовка к монтажу ИС с планарными выводами осуществляется на
автоматической линии ГГМ 2.249.020, включающей унифицированные модули распаковки ИС, формовки и обрезки выводов, флюсования и лужения
выводов холодной напрессовкой припоя ПОС-61 и укладки ИС в технологические кассеты. В каждом модуле находится 18 кассет с 50 ИС в кассете.
Производительность линии составляет 900 эл/ ч. Подача ИС из магазинов
является более дешевым способом, так как они могут многократно использоваться. Но более универсальна подача с ленты. Элементы могут вклеиваться
в ленту одного номинала или разных номиналов и типоразмеров по программе. Отечественной промышленностью выпускается автомат переклейки
ГГМ1.139.001.
Благодаря подготовке компонентов получается экономия сборочного
времени на 50% по отношению к неподготовленным ЭРЭ.
7.2 Групповые методы пайки
Современные методы групповой пайки в производстве РЭА классифицируются по источникам тепловой энергии, являющимся главным фактором при формировании паяных соединений
Пайка элементов со штыревыми выводами, установленными на ПП, в
условиях поточного производства проводится двумя основными методами:
погружением и волной припоя. Различные варианты реализации метода
пайки погружением приведены на рис.7.6. При пайке ПП со смонтирован188
ными элементами на 2…4 с погружается в расплавленный припой на глубину 0,4…0,6 её толщины, что приводит к капиллярному течению припоя и
заполнению им монтажных отверстий (рис.7.6,а). Одновременное воздействие температуры на всю поверхность платы приводят к её перегреву и
термоудару. Это вызывает повышенное коробление ПП, что ограничивает
их максимальный размер с соотношением сторон 1:2. Чтобы ограничить зону действия припоя, на плату с монтажной стороны наносят специальную
защитную маску (бумажную, эпоксидную), в которой предусмотрены отверстия под контактные площадки. С этой целью температуру пайки выбирают
более низкой, что также уменьшает потери припоя из-за окисления. Продукты окисления скапливаются на поверхности и перед каждой пайкой их
удаляют металлическим скребком. Частицы растворителя флюса, попавшие
в припой, интенсивно испаряются, что приводит к локальным непропаям.
Для уменьшения числа непропаянных соединений применяют пайку погружением с наклоном (5…70) платы (рис.7.6б) или на плату подают механические колебания частотой 50…200 Гц и амплитудой 0,5…1 мм (рис.7.6г).
Наиболее совершенным способом реализации пайки погружением является пайка протягиванием (рис.7.6в), при которой ПП укладывается в
держатель под углом около 50, погружается в ванну и протягивается по зеркалу припоя.
Впереди держателя имеется закреплённый скребок, который очищает
поверхность зеркала. Создаются благоприятные условия для удаления флюса и излишков припоя. Время пайки протягиванием увеличивается до 10 с.
Избирательная пайка (рис.7.6е) обеспечивает выборочную подачу
припоя к паяемым контактам через специальную фильеру, изготовленную из
нержавеющей стали. Между платой и фильерой зажимается слой термостойкой резины. При избирательной пайке уменьшается температура платы,
снижается нагрев ЭРЭ и расход припоя. Применяют её в условиях массового
производства, когда изготовление специальной фильеры экономически целесообразно.
Высокое качество пайки обеспечивает способ погружения платы в заполненную сеткой (например, из никеля с размером ячеек 0,20,2 мм) ванну
(рис.7.6 з), которая превращается в капиллярный питатель. При соприкосновении платы с сеткой припой выдавливается через её ячейки и под давлением капиллярного эффекта заходит в зазор между выводами и металлизированными отверстиями. При обратном движении платы избыток припоя затягивается капиллярами сеточного набора, что предотвращает образование сосулек. Различие в длине выводов не сказывается на качестве пайки из-за
гибкости сетки.
Пайка волной припоя является самым распространённым методом
групповой пайки. Она заключается в том, что плата прямолинейно перемещается через гребень волны припоя. Её преимуществами являются: высокая
производительность,
возможность
создания
комплексноавтоматизированного оборудования, ограниченное время взаимодействия
189
припоя с платой, что снижает термоудар, коробление диэлектрика, перегрев
элементов. Главным условием высокой разрешающей способности пайки
волной припоя является создание тонкого и равномерного слоя припоя на
проводниках, позволяющего без перемычек, мостиков и сосулек припоя паять платы с малыми зазорами между печатными проводниками.
Рис.7.6. Способы реализации пайки погружением
а – с вертикальным перемещением платы; б – с наклоном платы; в –
протягиванием; г – с применением колебательных движений; д – с маятниковым движением платы; е – избирательная; ж – каскадная; з – в ванну заполненную сеткой.
Процесс пайки для односторонней (рис.7.7а) и двусторонней
(рис.7.7б) волн состоит из трёх этапов: вхождение в припой (точка А), контактирование с припоем (отрезок АВ) и выход из припоя (точка В). На первом этапе, направление скорости фонтанирования волны VА способствует
удаление паров флюса из зоны реакции: как при двухсторонней, так и при
односторонней волне.
На втором этапе полоса растекания припоя по плате АВ, в сочетании
со скоростью конвейера VК, определяет время пайки. При двусторонней
волне, это время больше за счёт достижения более полного заполнения припоем металлизированных отверстий. Увеличение времени взаимодействия
повышает толщину припоя на печатных проводниках до некоторого предела.
Окончательное формирование толщины слоя происходит на выходе
платы из волны припоя в точке В. В односторонней волне относительная
скорость в точке В увеличивается, так как векторы скоростей конвейера и
волны припоя направлены в противоположные стороны. При этом смываются излишки припоя и утоньшается оставшийся слой припоя.
В двусторонней волне относительная скорость точке В уменьшается,
так как векторы скоростей конвейера и волны припоя направлены в одну
сторону, что способствует образованию наплывов.
190
Для образования волны припоя в установках преимущественно используют механические нагнетатели, давление воздуха или газа, ультразвуковые колебания, электромагнитные нагнетатели.
Рис.7.7.Схема взаимодействия расплавленного припоя с паяемой платой при односторонней (а) и двусторонней (б) волнах.
Групповая пайка компонентов со штыревыми выводами проводится
волной припоя на автоматизированных установках модульного типа. Ширина конвейеров составляет 230 – 610 мм. Структура автоматической линии
пайки включает (рис. 7.8):
1– конвейер;
2 – пенный флюсователь;
3 – подогреватель флюса;
4 – подогреватель платы;
5 – модуль пайки на глубокой волне;
6 – модуль обрезки выводов;
7 – волновой флюсофатель;
8 – подогреватель флюса;
9 – модуль пайки на волне;
10 – устройство управления конвейером.
Рис. 7.8 Автоматизированная установка модульного типа
191
Включение в состав линии модуля обрезки выводов (1 – 5 фрез, вращающихся с частотой 1000 – 5000 об/ мин) позволяет упростить процесс подготовки ЭРЭ к пайке.
Отмывка собранных плат от остатков флюса выполняется в специальных вибрационных установках, колеблющихся с частотой 50 Гц и амплитудой 1 – 2 мм на волне моющего раствора со щетками или струйным методом.
Наиболее эффективна очистка плат с применением 43-колебаний частотой
20 – 22 кГц в спирто-бензиновой или спирто-фреоновой смеси. Для исключения повреждения элементов монтажа обработку проводят в декавитационных
режимах. Для повышения производительности в серийном производстве используют программируемые манипуляторы, осуществляющие многократную
обработку плат. Линии заканчиваются модулями сушки плат.
В настоящее время широкое применение в технологии ЭC получили
методы пайки концентрированными потоками энергии, достоинства которых являются высокая интенсивность, бесконтактное воздействие источника
нагрева на зону контактирования, ограниченная зона теплового воздействия.
Разработанные методы активируют не только систему "припой – паяемый
материал", но и процессы их физико-химического взаимодействия, что приводит к интенсификации процессов пайки. Пайку элементов производят
следующими методами: горячим газом, в парах специальной жидкости, ИКизлучением, и т.д.
7.3 Монтаж плоскими ленточными кабелями
Плоские ленточные кабели (ПЛК) представляют собой одно или многослойную структуру, состоящую из многожильных ленточных проводов
или ГПК и различных по конструкции соединителей (специальных разъёмов, коммутационных плат), при помощи которых кабели соединяются
друг с другом и с остальными элементами монтажа.
По способу изготовления ПЛК разделяются на: опресованные, плетёные, тканые и печатные. Токоведущие жилы проводов имеют прямоугольное или круглое сечение площадью от 0.02 до 0.35 мм2 и выполняются из
меди, бериллиевой бронзы и нихрома. Расстояние между центрами проводников стандартизовано и кратно 1.25 мм. Ориентация проводов при монтаже
осуществляется по цветной жиле с увеличенным шагом или кодирующему
выступу на кромке изоляции.
Использование ПЛК по сравнению с жгутовым монтажём позволяет
уменьшить габариты, снизить трудоёмкость механосборочных работ за счёт
механизации и автоматизации процессов, повысить качество и надёжность
соединений при различных климатических воздействиях.
Технологический процесс монтажа ПЛК включает подготовку ленточных проводов, сборку их с различными соединителями, трассировку кабеля
192
на каркасах несущих конструкции ЭВА и его соединения с другими токоведущими элементами.
ПЛК поступают на сборку в рулонах. Их разрезают на мерные отрезки, определяемые конструкцией устройства, при помощи гильотинных ножниц. Подача провода осуществляется вручную или специальными механизмами, обеспечивающими необходимую длину отрезка. Должна быть обеспечена пенпердикулярность линии среза оси симметрии провода. С обеих сторон без повреждения токоведущих жил удаляют изоляционный слой механическим, термомеханическим или химическим методами.
Для механического удаления используют ножи с регулируемым зазором, щётки и др. Процессы эффективны при обработке проводов во фторопластовой изоляции или термостойкой полиамидной изоляции.
Эффективной является лазерная обработка остросфокусированным
лучём, под действием которого удаляется небольшой участок изоляции.
Химическое удаление изоляции целесообразно проводить для ПЛК, на
токопроводящие жилы которых наносят гальванические покрытия.
Для защиты токоведущих жил от окисления и обеспечения хорошей
паяемости или свариваемости на их поверхности наносят покрытия из металлов (никеля, золота, серебра).
Сборка ПЛК друг с другом и специальными соединениями осуществляется при помощи пайки, сварки или механическим способом (обжатием,
врезанием, накруткой).
Пайка является наиболее универсальным способом. Токоведущие жилы ПЛК паяют паяльником с определенной формы жалом или групповым
способом.
При групповой пайке все проводники с дозированным количеством
припоя ориентируют и фиксируют относительно друг друга в приспособлении, а затем припой расплавляют инфракрасным излучением.
Межкабельные паяные соединения получаются с помощью термоусадочных паяльных муфт, (рис.7.9), которые состоят из изоляционной оболочки – 3, кольца припоя с наполнителем из флюса - 2 и двух герметизирующих колец – 1, изготовленных из термопластичного материала.
2
3
1
Рис. 7.9.
193
Оболочка изготавливается из поливинилхлорида или политетрафторэтилена и подвергается гамма облучению, под действием которого
она приобретает свойства выдерживать большие растяжения, а при нагревании возвращаться к первоначальным размерам.
При введении токопроводящих жил соединяемых ПЛК в такие муфты
и их термооблучении происходит размягчение уплотнительных колец, усадке оболочки, деформация, плавление и растекание припоя до уплотнительных колец, в результате чего соединение герметизируется.
Механические способы соединения ПЛК основаны на использовании
специальных элементов, обеспечивающих электрический контакт за счёт
пластической или упругой деформации. Жилы круглого и прямоугольного
сечения соединяют обжатием металлической втулке. Коммутация отдельных проводов с элементами монтажа осуществляется при помощи ножевых
штампованных контактов, имеющих паз вдоль оси. Под действием приложенного давления контакт прорезает изоляцию и токопроводящая жила входит в паз. Однако эти методы имеют ограниченное применение из-за низкой
надёжности.
7.4 Технология жгутового монтажа
Объединение, прокладываемых в одном направлении монтажных проводов, в жгуты производится во всех случаях, если это не вызывает повышения допустимого уровня наводок.
Исходя из конструкции монтируемой аппаратуры жгуты разделяют на
плоские и объёмные. Укладываемые в них провода должны быть близкими
по диаметру изоляции, с зачищенными, скученными (для многожильных
проводов) и облуженными концами. Проводники сильноточных цепей для
уменьшения паразитных наводок свивают без скручивания парами с шагом
15…40 мм. В каждом жгуте предусматривается 5…10 запаса свободных
проводов, но не менее одного провода.
Для изготовления жгутов применяют монтажные медные провода с
различным типом изоляции: волокнистой из капроновых нитей (МШДЛ,
МЭШДЛ, МГШ, МГШД); стекловолокна (МГСА, МГСПЭ); поливиниловой
(ПМВ, МГВ); волокнисто поливиниловой (МШВ, МГШВ, БПВЛ); фторопластовой изоляции (МГТФ до 2500С); провода в шланговой оболочке из
морозостойкой резины (РПД и РПШЭ до 700С).
Сигнальные ВЧ-цепи для защиты от электромагнитных помех коммутируют экранированными проводами и кабелями с обязательным заземлением каждого экрана в одной (при длине до 100 мм) или двух точках (при
длине более 100 мм).
К проводам из жгутового монтажа предъявляются следующие требования:
194
- соответствие сечения токопроводящей жилы и изоляции рабочей
плотности тока и допустимому падению напряжения;
- механическая прочность, гибкость и эластичность;
- отсутствие повреждений (подрезов, поджогов), снижающих их
механическую и электрическую прочность;
- применение маркировочных знаков;
- наличие запаса по длине, обеспечивающего повторные перепайки.
На каждый жгут методом макетирования разрабатывается чертёж, по
которому изготавливается плоский или объёмный шаблон, и составляется
таблица соединений. На шаблоне трассы укладки проводов ограничиваются
шпильками или штырями. Штыри также устанавливаются в местах изгибов
и ответвлений в начальных и конечных точках трасс.
Технологический процесс жгутового монтажа состоит из следующих
этапов:
- разделки монтажных проводов и кабелей;
- сборки и вязки жгута на шаблоне;
- соединения с контактными элементами;
- трассировки и закрепления на несущей конструкции;
- контроль качества выполнения.
Основной объём работ при изготовлении жгутов занимают подготовительные операции: нарезка проводов и кабелей на мерные отрезки, разделка
концов и закрепление изоляции, удаление окисной плёнки, свивание, лужение и маркировка.
Резка и снятие изоляции с концов с одиночных проводов производится
механическим и термомеханическим методами, как в ручную, так и с использованием различного автоматического оборудования.
Уменьшение трудоёмкости монтажно-сборочных работ, снижение количества неправильно выполняемых соединений, облегчение контроля,
нахождения неисправностей и ремонта, достигается маркировкой проводов.
Её выполняют с помощью использования различной расцветки монтажных
проводов, липких лент с цифровыми или буквенными кодами, маркировочных трубчатых бирок или путём нанесения маркировочных знаков непосредственно на изоляцию проводов. Наибольшее распространение получили
два последних метода из-за высокой производительности и надежности выполнения.
Сборка жгутов в соответствии с чертежом и таблицей монтажных соединений проводятся вручную с применением электрифицированного шаблона или на станках с ЧПУ.
В условиях серийного производства возможны два варианта маршрута
изготовления жгутов:
1) автоматическая подготовка проводов к монтажу и ручная сборка
на шаблоне
195
2) автоматическая раскладка проводов и их ручная подготовка к
монтажу.
Выбор оптимальной структуры определяется из реальных условий по
минимуму труда затрат.
7.5 Механическая сборка радиоэлектронной аппаратуры
Механическая сборка является технологических процессом, заключающимся в установке и креплении деталей и узлов в корпусах, рамах и др.
несущих конструкциях.
Для крупносерийного и массового производства при проектировании
РЭА необходимо предусматривать автоматизированную сборку изделий.
При этом необходимо обеспечить точность процесса сборки, которая определяется:
а) достижением необходимой геометрической точности взаимного
расположения базовой и сопрягаемой детали на сборочной позиции автомата;
б) обеспечение требуемой точности сборочного соединения по физическим параметрам (усилию запрессовки, моменту затяжки, герметичности,
переходному сопротивлению, температуре и т.д.).
При механической сборке различают неразъемные и разъемные соединения.
7.5.1 Неразъемные соединения
Неразъемным соединением называют соединение деталей в сборочную
единицу, при котором разборка возможна только разрушением материалов
или деталей использованных для соединения. Неразъемные соединения выполняют пайкой, сваркой, клепкой, развальцовкой, склеиванием и т.д.
Соединения методом сварки.
Сваривание сталей.
В радиоэлектронике при изготовлении элементов конструкции применяют различные черные и цветные металлы. Свариваемость сталей зависит
от их химического состава, структуры, температуры и интервала плавления,
и склонности к поглощению газов. С увеличением содержания углерода растет их чувствительность к нагреву и увеличивается опасность возникновения
трещин в шве. В зависимости от соединения различают группы сталей по
свариваемости:
1. Стали низкоуглеродистые (0.5; 0.8; 10; 15) и среднелегированные
15Х,20Х - хорошая свариваемость (используется для ответственных узлов).
2. Стали углеродистые (25, 30, 35, 40) и низколегированные (14Г, 14ГС,
25Г2С, 35ХН) - свариваемость с предварительным подогревом до 200 300 "С.
196
3. Стали среднеуглеродистые (35Г, 40, 45) и низколегированные (18ГС2,
14ХГС, 10ХСНД) - свариваемость после термообработки и закалки от
900 °С с предварительным нагревом.
Стали высокоуглеродистые (50, 55, 60, 70, 80) и низко- и среднелегированные (35ХМ, 30ХГСА, 12Х5МА). Легирующими элементами в сталях
являются Mn, Si, Ni, Cr, Mo, V.
Свариваемость меди.
Свариваемость меди определяется ее химической активностью, теплопроводностью, текучестью. Нагревание выше 400 °С приводит к окислению
Cu, расплавленный металл хорошо растворяет газы, которые создают большое давление и образуется сеть микротрещин и пор. Поэтому для изготовления сварных конструкций применяют специальную раскисленную медь. Cu и
ее сплавы соединяют газовой, дуговой или контактной сваркой (рис. 7.10).
Рис.7.10 Типовая схема контактной сварки: 1 – электроды;
2 – свариваемые детали
Детали зажимают между двумя электродами, а затем включают ток.
Нагрев продолжается до тех пор, пока центральная часть сварочной точки не
расплавится.
Свариваемость разнородных металлов определяется разницей ТКР, t пл
и диаграммой состояния. Наилучшей свариваемостью обладают металлы с
полной взаимной растворимостью. Для преодоления трудностей сварки разнородных металлов, между ними применяют биметаллические переходники
или компенсирующие прокладки.
Основными методами получения металлоконструкций: каркасов, рам,
стоек, оснований РЭА - является контактная электродуговая, холодная,
диффузионная и газовая сварка. Для уменьшения деформации изделий детали закрепляют в приспособлении и стремятся обеспечить минимальный объем металла в сварочном шве, использовать прерывистый точечный шов.
При изготовлении каркасов используются материалы с высоким электрическим сопротивлением, пластичностью: Ni и его сплавы (ковар), платинит, низкоуглеродистая сталь. Сварка выполняется контактная конденсаторная.
197
В зависимости от соотношения параметров разрядного контура наблюдается три формы импульсов сварочного тока:
1.
Апериодический ток (рабочий);
2.
Критическое затухание;
3.
Колебательный ток.
При переходе в колебательный режим процесс становится неустойчивым и требует регулировки параметров.
Электродуговая сварка. Электродуговая сварка используется при изготовлении каркасов. При сварке материал деталей расплавляется под действием тепла вольтовой дуги, образуемой сварочной машиной постоянного
или переменного тока.
Аргонодуговая сварка. Этот вид сварки представляет вид электродуговой сварки в атмосфере аргона. Присутствие аргона в зоне сварки способствует улучшению качества сварочного шва, так как исключается вредное
действие воздуха на свариваемые детали.
Аргонодуговая сварка применяется для Al, Ti деталей и нержавеющих
сталей. Использование аргона обеспечивает частоту химического состава
сварного шва и однородность структуры. Увеличение сварочного тока приводит к возрастанию глубины провара. Напряжение линейно связано с шириной шва и не связано с глубиной провара. При сварке постоянным током
глубина провара выше, чем при сварке переменным током.
Качество сварки определяют внешним осмотром, с помощью рентгеновской установки, механическими испытаниями образцов.
Холодная сварка осуществляется под действием больших механических усилий за счет пластической деформации соединяемых деталей. Метод
применяется для соединения внахлестку тонких (до 1мм) деталей.
Диффузионная сварка осуществляется при приложении давления и t°
к соединяемым деталям в контролируемой атмосфере. Метод позволяет сваривать разнофазные материалы, обеспечивает высокую точность, но требует
длительного времени (соединение длиться 5 - 20 мин) и энергоемок (прикладываемое усилие 5 - 20 МПа).
Газовая сварка применяется для сварных соединений из тонколистовой стали с целью предупреждения прожогов, для соединения деталей из
легких сплавов. Метод обеспечивает минимальную деформацию. В качестве
горючей смеси используется ацетилен, природный газ или кислород.
Лазерная сварка. В производстве радиоаппаратуры лазерная сварка
применяется при сварке небольших корпусов из титана, нержавеющей стали.
Кроме того, существуют различные способы микросварки: сварка
расщепленным электродом, термокомпрессионная сварка, ультразвуковая
сварка и т.д., которые широко применяются в микроэлектронике.
Клепка. Клепку, широко применяют при изготовлении радиоаппаратуры. Клепаное соединение состоит из листов фасонных профилей или других деталей, соединенных заклепками.
198
Развальцовка. При этом методе соединения образуют пустотелыми
заклепками с помощью развальцовки.
Развальцовка раскатывает край пустотелой заклепки вокруг отверстия,
образуя буртик, который обеспечивает прочное соединение деталей. Развальцовка широко применяется для соединения металлических деталей с
тонкими изоляционными волокнистыми материалами, а также с деталями из
керамики, пресспорошка и листовых термопластичных материалов.
Запрессовка. Это соединение обеспечивает необходимый натяг при
условии, что диаметр охватывающей детали меньше диаметра охватываемой
детали. Сборка деталей производится в специальных приспособлениях с помощью молотка или пресса.
Склеивание. Неразъемное соединение деталей с помощью клеев.
7.5.2 Разъемные соединения
Разъемные соединения допускают полную разборку узла на отдельные
детали. Такие соединения выполняют на винтах, болтах, шпильках и т.д.
7.6 Соединение склеиванием
Достоинства и недостатки
Клеевое соединение - неразъемное соединение деталей с помощью
клея, наносимого на соединение поверхности.
Склеивание применяется для закрепления элементов на платах, шасси
и лицевых панелях, для соединения различных прокладок и уплотнительных
колец с металлическими деталями; вообще склеивают материалы и их сплавы, натуральные, синтетические и слоистые материалы, стекло, керамику,
спекаемые материалы.
Замена сварки, пайки, заклепочных соединений склеиванием уменьшает массу конструкции, позволяет соединить почти любые материалы,
упрощает процесс сборки. По сравнению с другими способами соединения
достоинство клеевого соединения состоит в равномерности распределения
механических напряжений по шву. Обычно в зоне соединения при склеивании не возникает коррозия, в большинстве случаев эти соединения непроницаемы для паров, жидкостей, герметичны, вакуумплотны, поглощает вибрации (снижают шум). В этом состоят основные преимущества клеевого соединения.
Клеевые соединения не выдерживают длительное время большие
нагрузки, при повышенных температурах, особенно во влажной атмосфере
или при низких температурах снижается прочность клеевого соединения. В
этом состоят основные недостатки таких соединений.
Физико-химические основы склеивания.
В основе процессов склеивания материалов находятся явления когезии
и адгезии.
199
Когезия - это сцепление частиц одного и того же материала, адгезия –
это сцепление частиц различных материалов; причиной когезии и адгезии
являются силы межмолекулярного взаимодействия. Кроме того, в процессе
склеивания возникает сложные физико-химические явления, адсорбция,
электростатические силы, диффузия (у высокомолекулярных полимеров).
Незначительное влияние на клеящую способность оказывает механическое сцепление клеящего вещества (механическая адгезия).
Для качественного соединения необходима соответствующая подготовка склеивающих поверхностей и достаточное смачивание клеящим веществом.
Клеящими веществами являются высокополимерные синтетические
смолы или реактивные смеси различных химических структур. Для металлов применяют растворы смол: эпоксидной, фенольной, полиэфирной, полиуретановой и силиконовой, а для пластмасс растворы смол, кроме перечисленных, поливиниловых соединений, полиамидов, полиакрилатов, производных каучука и аминопластов. Отверждение клеящего вещества осуществляется или посредством химической реакции или посредством испарения и диффузии.
Клеевые соединения часто применяют в комбинации с другими типами соединений (сварными, клепанными, резьбовыми) для придания соединениям дополнительных свойств - герметичности, прочности, вибростойкости.
К клеям предъявляют следующие требования: нейтральность к склеиваемым материалам, стойкость к воде, к воздействию различных сред, к
нагреванию, охлаждению, резким перепадам температур; грибостойкость;
высокие адгезионные и когезионные свойства; простота наненсения на поверхность; хорошее заполнение зазоров между соединяемыми поверхностями; продолжительная жизнеспособность приготовленного клея; возможность склеивания при комнатной и повышенных температурах и низком
давлении.
При выборе клея необходимо учитывать физико-химические и технические свойства, а также условия эксплуатации изделия.
Технологический процесс склеивания состоит из следующих операций:
1. подготовка поверхностей вклеиваемых деталей,
2. подготовка клея,
3. нанесение клея на склеиваемые поверхности,
4.
сушка (открытая выдержка) нанесенного клея перед сборкой соединяемых деталей,
5. сборка деталей,
6. запрессовка,
7.
отверждение клеевых швов (открытая выдержка при определенных температуре и давлении в течении заданного времени),
8. зачистка клеевых соединений,
9. контроль качества соединения.
200
Качество подготовки поверхностей в значительной мере определяет
прочность соединения. Поверхности тщательно пригоняют одна к другой,
очищают от загрязнений, в некоторых случаях повышают шероховатость
поверхности для увеличения поверхности склеивания, создают промежуточные слои, имеющие повышенную адгезию к поверхности металла, а клеи
к ним. Оптимальная шероховатость поверхности Rz=20...6,3 мкм. Иногда перед склеиванием на поверхность наносят защитное покрытие, препятствующее коррозии.
Обработку выполняют механическим, химическим или физическим
способами.
Механическим способом удаляют: остатки лака, грязь, оксидные слои,
окалину после прокатки, прессовочные пленки и прилипшие отслаивающиеся вещества (удаляют посредством пескоструйной или дробеструйной обработки обезжиренным материалом, шлифования, зачистки наждаком, полирования, очистки стальными щетками, пламенной струи, снятия стружки);
Лаки и жиры удаляют растворителями при погружении деталей в ацетон, бензин, хлористые и фтористые углеводороды или водные растворы
моющих веществ (акрил, акрилсульфанол, щелочные растворы тринатрий
фосфата).
Быстро очищают поверхность при ультразвуковой обработке с
мощьностью колебаний 5...10 Вт/см2.
Химические способы обработки поверхности применяют только для
пластмасс.
К термическим способам относят пламенные способы (например, обработка газовым пламенем).
К электрическим способам относят: облучение элементарными частицами, обладающими большой энергией; обработка электрическим разрядом
в газовой атмосфере; обработка тлеющим разрядом низкого давления. Подготовка клея заключается в тщательном смешивании исходных компонентов. Смешивание выполняется в тех случаях, когда клеящее вещество состоит из двух и более компонентов. При смешивании не должны быть замешаны воздушные пузырьки. Для приготовления больших количеств клея используют вакуумные смесители. Срок применения холодных клеящих веществ ограничен. Обычно смешивание производят перед их употреблением.
Способ нанесения клея определяется его консистенцией (пустотой,
вязкостью).
Жидкотекучие клеи наносят кистью, пульверизатором или погружением и накатыванием с помощью валика. Пастообразные клеи наносят шпателем. Твердые клеи перед употреблением сначала разжижают (для хорошего
смачивания поверхностей). Для этого склеиваемые детали нагревают и их
поверхность посыпают порошком клеящего вещества. При автоматическом
склеивании используют клеевые пленки.
Соединение склеиваемых деталей производится в приспособлениях,
обеспечивающих при отверждении клея фиксирование деталей в определенном положении.
201
Фиксирование деталей выполняют с помощью стальных стяжных
лент, болтовых соединений снабженных пружинами, грузов, струбцин, скоб,
прессов и прессформ.
При склеивании на всю поверхность должно действовать постоянное
давление. Величина давления зависит от марки клея. Отверждение клея
производится в нагревательных печах, обеспечивающих равномерный
нагрев.
Для нагревания соединяемых элементов при сушке применяют сушильные камеры (шкафы), обдувку теплым воздухом, контактные и рефлекторные электронагреватели, ТВЧ, инфракрасные лучи.
Сборку склеиваемых деталей производят запрессовкой в пневматических, гидравлических, винтовых прессах, автоклавах и с помощью специальных приспособлений. Требуемый подогрев деталей при сборке выполняют на прессах с электроподогревом или паровым обогревом. Режимы
склеивания (время, давление, температура) определяет применяемый состав
клея.
Контроль соединения в готовых изделиях выполняют по этапам:
- внешний осмотр изделия, простукивание и проверка с помощью специальных приборов без разрушения соединения;
- испытания образцов - свидетелей или образцов, вырезанных из изделий;
- испытания разрушением определенного процента изделий от серии и
др.
Клеи для склеивания деталей ЭС.
Применяемые клеи разделяют по типу связующих материалов на термореактивные, термопластичные и эластомеры.
К группе термореактивных относятся клеи типа БФ, полиуретановый
ПУ-2, эпоксидные горячего и холодного отверждения ВК-9, К-400, теплостойкие ВС-10Т, ВС-350. К группе термопластичных клеев – полистироловый, полиамидный и др. Группа эластомеров включает клеи № 88-Н.
Клеи БФ применяют для склеивания металлов и металлов с керамикой
и некоторыми пластмассами, когда склеиваемые материалы не допускают
высокой температуры сушки.
ВК-9 применяется для клеевых, клеесварных и клеерезьбовых соединений из стали, алюминиевых, магниевых и титановых сплавов, неметаллических материалов в конструкциях, работающих от - 60 °С до + 125 °С длительно, при + 200 °С - 500ч и при + 250 °С - 5ч.
Клей К-400 (ОСТ 6-06-5100-96) применяется для клеевого соединения
сталей различных марок, алюминиевых и титановых сплавов, латуни, керамики, графита, ситалловых материалов. Может быть использован для приклеивания различных табличек, фирменных знаков, выполненных фотохимическим, или каким-либо другим способом. Гарантирует рабочую эксплуатацию в следующем интервале температур от -196 до +400 °С (минуты), при
+ 200С – до 1000 час.
ПУ-2 рекомендуется для проведения работ по склеиванию металлов
(алюминиевых сплавов, стали), неметаллических материалов (стеклопла202
стик, пенопласт), для склеивания деталей из оргстекла и оргстекла с лентами
из капронового или лавсанового волокна, а также металлов и неметаллов
между собой.
Клей ВС-10Т теплостоек, и с помощью него склеивают детали из различных материалов (стали, дюралюминия, теплостойких пенопластов, стеклотекстолита и сотоматериалов, изготовленных на основе стеклоткани, пропитанной фенолоформальдегидной смолой) между собой и в сочетании друг
с другом в конструкциях, работающих без снижения прочности клеевого
шва при 200°С в течение 200 ч и при 300°С - 5 ч с учетом термостойкости
склеиваемых материалов.
203
Глава 8. ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА И НАДЕЖНОСТИ
ПРИ РАЗРАБОТКЕ, ПРОИЗВОДСТВЕ И
ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭС
8.1 Общие положения
8.1.1 Структура жизненного цикла изделия
Совокупность этапов проектирования, изготовления и эксплуатации
изделия (рис.8.1) составляет жизненный цикл изделия, который всё время
повторяется в соответствии с циклом Делинга.
Этапы жизненного цикла изделия повторяются до тех пор, пока не будет исчерпан потенциал, заложенный при проектировании изделия по совершенствованию технических характеристик, и совершен переход на изготовление практически нового изделия с другими, значительно лучшими техническими характеристиками.
Изготовление
(производство)
Проектирование
Эксплуатация
Утилизация
8.1.2 Качество выпускаемой продукции
Качество любого изделия – это совокупности свойств этого изделия,
обуславливающая возможность его применения, удовлетворяющая определенным требованиям потребителя.
Качество, как совокупность свойств промышленной продукции, закладывается в процессе научных исследований, конструкторских и технологических разработок, создаётся в процессе производства и поддерживается в
процессе эксплуатации.
Основными показателями качества изделий ЭС являются:
конструкторские – степень стандартизации, нормализации и унификации, коэффициент сложности, количество блоков, комплектность, масса;
204
надежность – технический ресурс, срок службы, вероятность безотказной работы;
экономические: трудоемкость, себестоимость, цена;
товарно–потребительские: устойчивость к воздействию окружающей температуры, влажности, транспортной тряски и вибрации, потребляемая мощность.
Надежность является одним из важнейших показателей качества изделий. Под надежность изделий понимается свойство изделий выполнять заданные функции, сохранять во времени значения установленных эксплуатационных показателей в пределах, соответствующих заданным режимам и
условиям использования, ремонтов, хранения и транспортирования.
Если все показатели качества контролируемого изделия систематизированы и осуществляется системный подход к обеспечению и контролю качества с целью анализа и управления, составляющих качества на каждом
этапе жизненного цикла изделия, то можно говорить о наличии системы
управлением качества.
Трудности создания системы управления качеством заключается в
том, что целый ряд изделий, к которым в первую очередь относятся ЭС, характеризуются большим количеством и многообразием показателей качества. Они, в свою очередь, делятся на два основных класса количественные
показатели (физические, электрические, механические, химические величины) и качественные показатели, оцениваемые не конкретными значениями
величины, а с помощью чувственных органов человека (восприятием цвета,
запаха и т.д.).
8.1.3 Культура производства
Культура производства заключается в отслеживании и использовании научных и технологических достижений при производстве изделий,
снижающих трудоёмкость, стоимость производства и повышающих надежность.
Строгое соблюдение технологических норм и стандартов во всём
при выполнении всех операций в процессе производства изделий.
Строгое соблюдение всех требований и нормативов охраны труда
сотрудников.
Соблюдение морально–этических норм на всех уровнях взаимоотношений между сотрудниками.
8.1.4 Программы обеспечения качества и надежности на этапе разработки, производства и эксплуатации
Для обеспечения качества и надежности изделий на этапах разработки, производства и эксплуатации разрабатывают программы обеспечения
качества и надежности: ПОКр, ПОКп (ГОСТ РВ 52375-2005); ПОНр, ПОНп,
205
ПОНэ (ГОСТ РВ 27.1.02-2005).
ПОК разрабатывают в целях повышения эффективности обеспечения
качества опытных и серийных изделий на основе системного и комплексного подхода к планированию и реализации мероприятий, направленных на
выполнение заданных в ТТЗ (ТЗ) и ТУ требований к качеству в процессе
разработки и производства оборонной продукции.
ПОН – документ, устанавливающий комплекс взаимоувязанных организационных и технических мероприятий, методов, средств, требований и
норм, подлежащих выполнению на стадиях жизненного цикла изделий и
направленных на выполнение заданных в нормативной документации на изделие требований по надежности.
Обеспечение качества при разработке опытных изделий.
В ПОКр предусматривают следующие основные мероприятия, выполняемые в процессе ОКР:
- анализ требований к качеству изделия, установленных в ТЗ;
- сбор и анализ информации о качестве отечественных и зарубежных
аналогов, способах обеспечения тактико-технических и эксплуатационных
характеристик изделия;
- установление методов обеспечения качества при обосновании технических решений и вариантов разрабатываемого изделия в эскизном и техническом проектах в соответствии с ГОСТ РВ 15.203;
- проверку и согласование РКД в соответствии с ГОСТ РВ 2.902и
ГОСТ РВ 15.203, а также контроль качества разрабатываемой конструкторской, технологической, программной и др. документации;
- предварительный анализ и обоснование выбора комплектующих изделий, элементной базы и конструкционных материалов;
- отработку технологических процессов в целях обеспечения качества
изделий при их серийном изготовлении;
- обеспечение подразделений организации необходимыми ресурсами:
техническими средствами; средствами технологического оснащения, средствами испытаний, контроля и измерения, соответствующих современному
уровню;
- определение требований к входному контролю материалов, комплектующих изделий и другой закупаемой продукции;
- определение порядка идентификации и прослеживаемости опытных
партий на всех этапах разработки;
- определение порядка метрологического обеспечения разработки
опытных изделий и контроля за состоянием средств измерений, контрольного и испытательного оборудования;
- планирование экспериментальной отработки опытного образца,
включая определение объема предварительных и приемочных испытаний, а
также программ их проведения;
- оценку показателей качества опытного образца по результатам экспериментальной отработки, предварительных и приемочных испытаний;
206
- технологическую подготовку опытного производства для изготовления опытных образцов;
- обеспечение технологичности изделия в соответствии с ГОСТ
14.201;
- анализ причин выявленных несоответствий изделия требованиям ТЗ,
РКД, ТД, планирование и осуществление корректирующих и предупреждающих действий по устранению их причин;
- проведение предварительных, государственных испытаний в соответствии с ГОСТ РВ 15.210 по программам и методикам испытаний, разработанным в соответствии с ГОСТ РВ 15.211;
- определение потребности и планирование подготовки персонала;
- разработку нормативных документов, необходимых для реализации
ПОКр.
Обеспечение качества при производстве серийных изделий.
В ПОКп предусматривают следующие основные мероприятия, выполняемые при постановке на производство и серийном производстве изделий:
- подготовку и освоение производства для выпуска изделий, удовлетворяющих требованиям к качеству в соответствии с ГОСТ РВ 15.301;
- обеспечение производства персоналом необходимой квалификации;
- организацию и проведение квалификационных, приемосдаточных,
периодических, типовых испытаний в соответствии с требованиями ГОСТ
РВ 15.307, ГОСТ РВ 8.570;
- создание необходимых условий производства, обеспечение производства сырьем, материалами, комплектующими, средствами технологического оснащения и необходимым испытательным оборудованием;
- организацию и проведение входного контроля материалов и комплектующих изделий;
- обслуживание средств технологического оснащения, аттестацию испытательного оборудования в соответствии с требованиями ГОСТ Р 8.568;
- установление порядка и способов проверки (аттестации) и обеспечения качества выполнения ТП, в т.ч. по специальным и особо ответственным
ТП;
- обеспечение управления КД, предусматривающее в т.ч. уведомление
потребителей о внесении изменений в КД;
- контроль и регулирование ТП;
- осуществление метрологического обеспечения постановки на производство и серийного производства изделий;
- применение статистических методов приемочного контроля качества;
- сбор, регистрацию, обработку, ведение, хранение и анализ данных о
качестве в процессе производства и по результатам эксплуатации изготовленных изделий;
- планирование и выполнение работ по рекламациям и восстановлению отказавших по эксплуатации изделий;
207
- выявление причин возникновения дефектов, разработку и осуществление корректирующих и предупреждающих действий.
Обеспечение надежности при разработке опытных изделий.
В ПОНр предусматривают следующие основные мероприятия, выполняемые в процессе ОКР:
- анализ требований к надежности, установленных в ТЗ, условий и
специфики эксплуатации изделия;
- выбор и обоснование способов технического обслуживания и ремонта;
- сбор и анализ информации о надежности отечественных и зарубежных аналогов;
- прогнозирование надежности возможных вариантов схемного и конструктивного исполнения изделия, обоснование оптимального варианта,
удовлетворяющего предъявленным требованиям в пределах установленных
ограничений стоимости, массы, габаритов и др. параметров;
- предварительный выбор и обоснование элементной базы и конструктивных материалов;
- установление критериев отказов и предельных состояний в соответствии с ГОСТ РВ 27.2.01;
- выбор и обоснование конструктивных способов обеспечения надежности в соответствии с ГОСТ РВ 27.3.02;
- расчет показателей надежности в соответствии с ГОСТ 27.301;
- анализ и оценку влияния внешних воздействующих факторов на
надежность изделия, разработку и реализацию мероприятий, направленных
на повышение стойкости изделия к воздействию внешних факторов;
- планирование экспериментальной отработки образца с учетом требований к надежности; испытания изделий на надежности;
- подготовку опытного производства к изготовлению опытного образца, удовлетворяющего требованиям к надежности;
- контроль реализации разработанных в процессе проектирования и
экспериментальной отработки конструктивных способов обеспечения
надежности изделия;
- сбор и анализ данных об отказах, проведение необходимых доработок, оценку эффективности принятых мер по устранению их причин в процессе экспериментальной отработки;
- оценку по результатам проведения государственных испытаний соответствия изделия требованиям к надежности;
- определение необходимости доработок, для обеспечения надежности, установленной в ТЗ.
Обеспечение надежности при производстве серийных изделий.
В ПОНп предусматривают следующие основные мероприятия, выполняемые при постановке на производство и серийном производстве изделий:
- подготовку производства к выпуску изделий, удовлетворяющих требованиям к надежности в соответствии с требованиями ГОСТ РВ 15.301 и
208
стандартов ЕСТПП;
- разработку нормативных документов, необходимых для реализации
ПОНп;
- включение в систему контроля технологических процессов операций, позволяющих выявлять и устранять отклонения от КД и ТД, влияющие
на уровень надежности изделий;
- определение времени и режимов технологических тренировок, контроль их соблюдения и корректировку по опыту производства;
- сбор информации о надежности комплектующих, по результатам
входного контроля;
- сбор информации об отказах, возникающих в процессе изготовления;
- организацию и проведение испытаний на надежность;
- сбор, распределение и реализацию информации о надежности изделий по результатам испытаний и данным эксплуатации;
- оценку соответствия изделий требованиям к надежности по результатам испытаний и эксплуатации;
- анализ причин отказов изделий, определение необходимости и корректировку КД и ТД, проведение испытаний для проверки вносимых изменений, оценку эффективности проведенных мероприятий;
- организацию обучения персонала.
Обеспечение надежности при эксплуатации изделий.
В ПОНэ предусматривают следующие основные мероприятия, выполняемые при вводе в эксплуатацию и в процессе эксплуатации:
- подготовку необходимого оборудования и персонала эксплуатирующей организации к выполнению требований по обеспечению (поддержанию)
надежности образца, установленной в эксплуатационной и ремонтной документации и ПОНэ;
- организацию и учет данных о надежности образца при проведении
предусмотренных в эксплуатационной и ремонтной документации работ (в
процессе ввода в эксплуатацию, использования не по назначению, технического обслуживания, транспортирования, хранения, текущего и среднего
ремонта);
- организация и проведение наблюдений за надежностью изделий;
- сбор и анализ данных об отказах, выявление и устранение причин их
возникновения;
- выявление необходимости и корректировку конструкторской, технологической, эксплуатационной и ремонтной документации;
- контроль за соблюдением требований эксплуатационной документации, выявление и устранение нарушений правил эксплуатации, приводящих
к отказам изделий;
- планирование авторского надзора с требованиями ГОСТ В 15.704;
- периодическую оценку фактических значений показателей надежности образцов по данным эксплуатации и оценку эффективности проведенных доработок и мероприятий.
209
8.2 Теория обеспечения заданной точности выходных
параметров изделий ЭС
Любой ТП должен гарантировать точность размеров и параметров изделий, заданную ТУ и (или) чертежом. Обеспечить точность – значить изготовить изделие (аппаратуру, функциональный блок, узел, сборочную единицу, деталь) в пределах заданных допусков.
Различают функциональную и технологическую точность.
Функциональная точность – это требуемая точность выходных параметров аппаратуры, обеспечивающая ее нормальное функционирование
согласно ТУ. Она задается допуском.
Технологическая точность выходных параметров – это реально существующая точность выходных параметров изделий в процессе их изготовления при выбранном варианте технологии, характеризующаяся вариацией параметров, благодаря чему она поддается управлению.
Необходимо обеспечить такую точность функциональных блоков и
узлов, чтобы обеспечивалась заданная в ТУ точность выходного параметра
ЭС:
NТУ f (1, 2 ,...,i ,..., m ) ,
где NТУ - половина поля допуска на выходной параметр аппаратуры по ТУ;
i - половина поля допуска на выходной параметр i - го функционального
блока (узла).
Величина NТУ задана, а i неизвестны, и существует бесчисленное
множество вариантов решения. Однако необходимо выбирать оптимальные
значения i , при которых производство изделия было наиболее экономично.
Вариации параметров в процессе производства зависят от производственных погрешностей.
Под производственными погрешностями понимают отклонения от
номинальнальных размеров или параметров, указанных в чертежах, стандартах, ТУ и в другой технической документации. Вариацию параметров
изделия как случайных величин x можно оценивать их кривой распределения. Она является объективной характеристикой точности производства, а
ее количественные показатели, такие как поле отклонений – размах Rx ,
среднее значение m x , среднее квадратическое отклонение x , коэффициент
вариации vx x / mx являются мерой технологической точности.
Обычно реальное эмпирическое распределение аппроксимируют распределениями по закону Гаусса, Релея, Максвелла, Симпсона и т.п. Поэтому
анализ технологической точности сводится к определению законов распределения размеров или параметров, аппроксимации их каноническими распределениями и определению основных количественных показателей.
Кроме обеспечения точности выходных параметров ЭС, перед конструктором и технологом стоит задача обеспечения точности линейных размеров и геометрических форм деталей.
210
Например, при проектировании и серийном изготовлении тонкопленочных и микрополосковых плат с резисторами для обеспечения заданных
полей допусков на сопротивление конструктор должен проводить расчет резисторов с учетом производственных погрешностей длины, ширины, удельного поверхностного сопротивления и контактных сопротивлений. При этом
технолог должен проводить статистический контроль и регулирование производственных погрешностей, чтобы их значения не выходили за пределы
заданных границ.
Для механообрабатывающего производства величина допуска на размер должна быть всегда больше или равна сумме погрешностей, возникающих при обработке:
,
где - поле рассеивания действительного размера партии деталей;
- систематическая погрешность для всех деталей, например неточность
настройки станка или его износ; - погрешность по данному размеру, порождаемая погрешностями взаимного расположения элементов и погрешностями формы.
Точность обработки оценивается статистическим методом. Для этого
исследуется партии деталей или узлов для установления зависимостей или
построения кривых распределения погрешностей, с помощью которых можно определить необходимые характеристики.
Важным моментом при решении вопроса точности размеров является
учет погрешностей, возникающих при установке деталей относительно обрабатываемого инструмента. Расчет таких погрешностей чаще производится
при механической обработке деталей, когда изделие устанавливается на столе станка, в центрах, цанге, на призме или в приспособлении. Они называются погрешностями установки и непосредственно зависят от принятых
баз, от которых производится обработка. Погрешность установки у складывается из погрешностей базирования б , закрепления з и погрешности
приспособления п :
у б з п .
Погрешность базирования б возникает тогда, опорная установочная
база детали не совмещена с измерительной или технологическая база не
совпадает с конструкторской.
8.3 Автоматизированные системы технологического обеспечения
качества при производстве микроэлектронной аппаратуры для ЭС
В настоящее время при изготовлении приемопередающих и антенно
фидерных СВЧ-устройств РЭА широко применяются СВЧ ГИС на основе
тонкопленочных микрополосковых линий и резистивных элементов, расположенных на диэлектрических подложках.
Современное производство высококачественных микроэлектронных
изделий невозможно без широкого применения автоматизированных систем
управления и вычислительной техники.
211
Основной составной частью автоматизированной системы управления
технологическими процессами (АСУТП) является автоматизированная система контроля (АСК) выходные данные которой поступают в автоматизированную систему регулирования технологическими процессами (СРТП)
для анализа и установления причин разладки. Построение этих систем оказалось возможным благодаря применению тестовых резистивных структур
и математических моделей, устанавливающих связь погрешностей сопротивлений изготовленных резисторов с погрешностями их конструктивнотехнологических параметров (КТП).
Для получения информации о качестве технологии необходимо иметь
данные о величине переходных сопротивлений контактов, так как по величине контактных сопротивлений можно оценивать качество межоперационной очистки подложек и напыления проводящих слоев. Необходимость учета
контактных сопротивлений возникает при изготовлении, например, СВЧ интегральных схем, так как в этом случае для уменьшения потерь энергии применяется технология с раздельным формированием рисунка из резистивного
слоя и микрополосковых линий.
По этой причине весьма актуальной является проблема создания автоматизированных систем технологического обеспечения качества при производстве резистивных интегральных схем, позволяющих осуществлять статистический контроль КТП резисторов, включая контактные сопротивления. Для
обеспечения автоматизации процесса контроля необходима тестовая резистивная структура и соответствующая ей математическая модель, позволяющие определять статистические характеристики удельного поверхностного
сопротивления резистивной пленки, длины, ширины и удельного переходного сопротивления контактов по измеренным сопротивлениям резисторов тестовой структуры.
8.3.1 Технологический процесс изготовления тонкопленочных интегральных схем с резистивными элементами
При разработке автоматизированных систем и программного обеспечения был проведен анализ ТП изготовления СВЧ интегральных схем с резистивными элементами на подложках их материала «поликор».
Резисторы СВЧ интегральных схем изготавливают из резистивных материалов PC5406 K с удельным поверхностным сопротивлением 25 и 50 Ом/□
и PC3710 с удельным поверхностным сопротивлением 500 Ом/□. Контактные
площадки резисторов и микрополосковые линии (МПЛ) выполняют в виде
многослойной структуры V–Cuв–Cuг–Niг–Auг. Слои многослойной структуры имели следующие параметры: удельное поверхностное сопротивление
слоя ванадия 50–100 Ом/□; толщина слоя меди, напыленной в вакууме
1–2 мкм; толщина электролитически осажденной меди 7–13 мкм; толщина
электролитически осажденного никеля 0,9–1,5 мкм; толщина электролитически осажденного золота 2,5–3,5 мкм.
212
Технологический маршрут изготовления СВЧ интегральной схемы с резистивными элементами включает следующие основные операции:
1. Очистка подложек.
2. Напыление резистивного слоя.
3. Первая фотолитография.
4. Травление резистивного слоя.
5. Удаление фоторезиста.
6. Межоперационная очистка.
7. Напыление структуры V–Cu–Cr.
8. Вторая фотолитография.
9. Травление Cr.
10. Гальваническое осаждение меди.
11. Гальваническое никелирование.
12. Гальваническое золочение.
13.Удаление фоторезиста.
14.Травление Cr–Cu–V с пробельных мест.
15. Термообработка плат.
Из этих операций для СРТП были выбраны операции, от которых зависят погрешности сопротивлений изготовленных резисторов
Напыление резистивных слоев из материалов PC5406 K и PC3710 проводилось на установке магнетронного напыления «Каролина–Д10», обеспечивающей высокую равномерность удельного поверхностного сопротивления в парии подложек из 100 шт. (разброс удельного поверхностного сопротивления в партии подложек не превышал ±(3–5) %). Эта операция характеризуется погрешностями s , s одинаковыми для всех резисторов,
одной партии Погрешностью s легко управлять с помощью сопротивления «свидетеля» и в процессе регулирования эта погрешность сводится к
нулю.
При выполнении операций 3, 4 формировали ширину резисторов.
Операции выполнялись на линии фотолитографии «Лада-125» и линии
технохимии «Лада-1». Травление резистивного слоя осуществлялось в кассетах на 25 подложек. При выполнении этих операций возникают погрешности ширины b , b одинаковые для всех резисторов данной партии.
От качества выполнения операций 2, 5 - 7 и длительности межоперационного пролеживания зависят величины статистических характеристик контактных сопротивлений m k , k , одинаковые для всех резисторов данной
партии. Удаление фоторезиста проводилось в смеси моноэталонаминдиметилформамид в соотношении 1: 4. Для получения минимальных Контактных сопротивлений межоперационная очистка подложек проводилась в
хромовой смеси, содержащей 80,0 г K2Cr2O7 на 1,0 л H2SO4 , в течение 30–40
с при температуре раствора 20–22 ºС [5]. Напыление структуры V–Cu–Cr
проводилось на установке УВН 74 П-3 при температуре подложек 250 ºС и
давлении в камере не хуже 10-4 Па.
213
При выполнении операций 8, 14 формировали длину резисторов. Операции выполнялись на линии фотолитографии «Лада-125» и линии технохимии «Лада-1». Травление резистивного слоя осуществлялось в кассетах на
25 подложек. При выполнении этих операций возникают погрешности длины l , l одинаковые для всех резисторов данной партии.
Для формирования ширины и длины резисторов применялся позитивный фоторезист марки ФП-383. Фотошаблоны, применяемые для операций
фотолитографии, имели погрешность не более ±1-2 мкм.
При отработке ТП проводился статистический контроль точности технологических операций с помощью тестовых структур. При этом выявлено,
что наиболее критичными операциями, влияющими на погрешности изготовленных тонкопленочных резисторов (ТПР), являются операции напыления резистивных и проводящих слоев и межоперационной очистки подложек. Наибольший вклад в общую погрешность сопротивлений изготовленных резисторов вносили погрешности удельного поверхностного сопротивления и, при длине меньше 0,5 мм, контактные сопротивления. Наиболее вероятные отклонения производственных погрешностей от оптимальных значений приведены в таблице 8.1.
Таблица 8.1
Вероятные причины разладки ТП и оборудования
Вид
Характер разладки
Вероятные причины разладки
погрешности
s , s
m k ,
Увеличился
разброс
s
Увеличилось m
k
k
Увеличилась
b , b
k
Увеличилась b
Малая скорость вращения карусели подложек
Неравномерное вращение карусели
Разная шероховатость поверхности подложек
Некачественная очистка подложек
Сильно окислен или загрязнен резистивный
слой из-за длительного межоперационного пролеживания
Некачественно выполнена операция 5
Истек срок годности раствора для межоперационной очистки подложек
Слишком малое или слишком большое время
выдержки подложек при межоперационной
очистке
Большая влажность в помещении для напыления пленок
Плохой вакуум при напылении проводящих
слоев
Наличие локальных загрязнений или неоднородностей на поверхности подложек с резистивным слоем
Увеличение зазора между фотошаблоном и
подложкой при экспонировании
Увеличение времени экспонирования
214
Увеличилась
l ,
l
b
Увеличилась l
Увеличилась
l
Увеличение времени проявления фоторезиста
Увеличение времени при травлении пленки
Применение других растворов для травления
пленок из-за плохой «травимости»
Истек срок годности растворов для проявления и травления пленок
Неодинаковая скорость травления резистивных пленок на подложках взятых из разных партий
Причины аналогичны причинам увеличения
b
Причины аналогичны причинам увеличения
b
Тестовые резистивные структуры, с помощью которых определялись погрешности КТП резисторов по измеренным сопротивлениям тестовых резисторов RТ1, RТ 2 и RТ 3 , RТ 4 , располагались в технологических полях подложек,
на которых изготавливались интегральные схемы. Конструкция тестовой
структуры приведена на рис. 1.
lТ 1
lТ 2
bТ 2
bТ 1
RТ 1
lТ 3
RТ 2
lТ 4
bТ 3
bТ 4
RТ 3
RТ 4
Рис. 8.1. Тестовая резистивная структура для косвенного определения погрешностей КТП
ТПР, включая величину удельного переходного сопротивления контактов
Каждая пара резисторов содержит плёночные резисторы, равные по
ширине и отличные друг от друга по длине, соединённые между собой и на
концах каждой пары контактными площадками шириной, равной ширине
пары плёночных резисторов.
Систематическую и случайную составляющие производственных погрешностей удельного поверхностного сопротивления s , s , ширины
b, b , длины l , l и удельного переходного сопротивления контактов
mk , k резистивных элементов ИС получают усреднением погрешностей
sq , bq , lq , kq , определенных решением g систем уравнений, состав-
ленных для отдельно взятой q - ой тестовой структуры:
215
sq 2dТ1,2q bq 2dТ1,2qbТ1,2 оs ,
(8.1)
sq 2dТ 3,4qbq 2dТ 3,4qbТ 3,4 оs ,
dТ1,2q lq RkТ 1,2q aТ1,2q ,
dТ 3, 4 q lq
RkТ 3, 4 q
bТ 1, 2
RkТ 1, 2q aТ 3, 4 q ,
bТ 3, 4
bТ 1, 2
RkТ 1, 2q ,
bТ 3, 4
где q - порядковый номер тестовой структуры; dТ1,2q , dТ 3,4q - коэффициенты
пар резисторов q - ой тестовой структуры, вычисляемые по формулам:
(8.2)
dТ 1, 2q ( RТ 2q RТ 1q ) / 2(lТ 2 lТ 1 ) ,
(8.3)
dТ 3, 4q ( RТ 4q RТ 3q ) / 2(lТ 4 lТ 3 ) ;
где RТ1q , RТ 2q , RТ 3q , RТ 4q - измеренные сопротивления резисторов RТ 1 , RТ 2 ,
RТ 3 , и RТ 4 q - ой тестовой структуры; lТ 1 , lТ 2 , lТ 3 , lТ 4 - номинально заданные
длины плёночных резисторов тестовой структуры; bТ 1, 2 , bТ 3, 4 - номинально заданные ширины пар резисторов тестовой структуры; RkТ 1,2q , RkТ 3,4q величины
сопротивлений контактов пар резисторов q - ой тестовой структуры; aТ1,2q ,
aТ 3,4q - коэффициенты пар резисторов q - ой тестовой структуры, вычисляемые по формулам:
(8.4)
aТ 1,2q ( RТ 1qlТ 2 RТ 2qlТ 1) / 2(lТ 2 lТ 1) ,
(8.5)
aТ 3,4q ( RТ 3qlТ 4 RТ 4qlТ 3 ) / 2(lТ 4 lТ 3 ) .
Величину удельного переходного сопротивления контактов резистивных
элементов ИС по отдельно взятой q - ой тестовой структуре определяют по
формуле:
kq
( RkТ 1, 2qbТ 1, 2q ) 2 ( RkТ 3, 4qbТ 3, 4q ) 2
2 sq
,
(8.6)
где: sq оs sq величина удельного поверхностного сопротивления в месте расположения q - ой тестовой структуры; bТi, jq bТi, j bq .
На основе разработанных тестовой структуры и математической модели предложены принципы построения и разработаны автоматизированные
системы АСК и СРТП при серийном изготовлении МПП с резистивными
элементами при учете контактных сопротивлений, позволяющие существенно повысить эффективность производства. Схема организации АСК и СРТП
показана на рис. 8.2.
При изготовлении очередной партии подложек качество основных ТП,
от которых зависит вероятность выхода годных резистивных элементов, оценивается по отклонению оценок производственных погрешностей КТП
s , S , b , Sb , m k , S k , l , Sl конкретной - ой партии подложек от
s
статистических характеристик КТП резистивных элементов s 0 , s ,
b, b , mk , k , l , l , определенных для генеральной совокупности.
216
Напыление резистивного слоя: s 0,
s
Формирование ширины
резисторов: b, b
Формирование контактов: m ,
k
k
Формирование длины
резисторов: l , l
Брак
Контроль подложек по
тестовым структурам
Брак
Контроль сопротивлений резисторов
Заполнение и анализ контрольных карт, определение вероятных причин разладки
Ожидаемая вероятность
выхода годных кр
Напыление резистивного
слоя: s , S
s
Формирование ширины
резисторов:
b , Sb
Брак
Резка подложек
на платы
Формирование контактов:
Контроль внешнего
вида
Формирование длины рези-
Брак
m k , S k
сторов:
l , S l
Рис. 8.2. Алгоритм статистического контроля и управления групповыми технологическими процессами изготовления резистивных элементов интегральной схемы
Эффективность регулирования ТП предложено оценивать по вероятностям выхода годных PТi резисторов тестовых структур: квадратного RТ 2 ,
чувствительного к изменению s , широкого с малой длиной RТ 1 , чувствительному к изменению длины и длинного с малой шириной RТ 4 , чувствительного к изменению ширины:
mRТi 3 RТi
( Ri m RТi ) 2
1
(8.7)
PТi
exp
dRi ,
2
2
S
S RТi 2 m 3
RТi
RТi
RТi
где mRТi , S RТi - оценки средних значений и среднеквадратических отклонений сопротивлений тестовых резисторов i - ого типа - ой партии подложек; mRТi , RТi - средние значения и среднеквадратические отклонения сопротивлений тестовых резисторов i - ого типа, для генеральной совокупности.
Вероятность выхода годных всех тестовых резисторов - ой партии подложек, при которой достигается планируемый процент выхода годных P резистивных элементов ИС, должна быть не менее некоторой критической величины кр , которая может быть определена экспериментальным
4
путем: PТi кр .
i 1
217
В качестве технического средства автоматизированного статистического
контроля ТП может быть использован стенд, схема которого приведена на
рис. 8.3.
Стенд позволяет автоматически проводить измерение всех тестовых резисторов, вводить данные измеренных сопротивлений в компьютер, проводить
необходимые вычисления и выводить результаты в виде удобном для пользователя.
ПТ
КУ
КИА
УС
ПК
Рис. 8.3. Структурная схема стенда автоматизированного контроля тестовых резисторов: ПТ - подложка с тестовыми резисторами; КУ - контактирующее устройство; КИА - контрольно-измерительная аппаратура; УС - устройство сопряжения;
ПК - персональный компьютер
На основе математической модели (8.1) разработаны методика и алгоритм расчета оценок статистических характеристик ТПР.
Алгоритм расчета оценок статистических характеристик ТПР - ой
партии подложек приведен на рис. 8.4, где bi, jq 2dТi, jq , ci, jq 2dТ1,2qbТ1,2 оs .
При выходе оценок погрешностей КТП резисторов конкретной партии
за границы регулирования проводят регулирование параметров групповых
ТП на операции напыления резистивного слоя, формирования рисунков в
коммутационном и резистивном слоях или формировании контактов.
При проектировании ТПР их размеры рассчитывают с учетом оценок
всей совокупности систематических и случайных составляющих производственных погрешностей КТП, определенных для генеральной совокупности.
Поэтому предложенные системы автоматизированного контроля и регулирования ТП позволяют изготавливать резисторы, средние значения сопротивлений которых будут близки к номинальным значениям, не зависимо от их
размеров, а вероятность выхода годных ИС будет максимальной.
С помощью системы АСК, для разработанной технологии, проведены
экспериментальные исследования производственных погрешностей резистивных элементов МПП. Полученные экспериментальные данные для генеральных характеристик приведены в табл. 8.2. Эти данные используются при конструктивном расчете ТПР для обеспечения заданных полей допусков и в автоматизированных системах АСК и СРТП для управления точностью ТП.
218
Начало
Ввод
исходных данных
Измерение и ввод
RТiq
Цикл вычисления
погрешностей КТП
q 1, g
Цикл вычисления
параметров парных
резисторов q 1, g
i, jq 1,2q;3,4q
Расчет
Расчет
aТi, jq , dТi, jq
m RТi , S RТi
Расчет
Расчет
bТi, jq , sq
Расчет
kq
Расчет
bi, jq , ci, jq
PТi ,
Расчет
Расчет
sq , lq , bq
s , l , b
Расчет
Расчет
RkТi, jq
S s , Sl , Sb
Расчет
Расчет
m k , S k
m RkТi , j , S RkТi , j
Печать
Конец
Рис 8.4. Алгоритм расчета статистических характеристик ТПР партии подложек
Таблица 8.2
Статистические характеристики КТП тонкопленочных резисторов
№
Материал
оs ,
s mk ,
Ом/кв.
,
Ом
Ом·мм2
b ,
мкм
b ,
мкм
1
К 50С
2000
86
0,29
-6,6
2,9
2
РС 3710
500
0,034
-7,2
2,8
3
РС 406К
50
0,0046
-6,8
2,3
4
РС 406К
25
8,3
2
0,8
1
0,3
6
0,0041
-8,3
3,2
l
,
м
км
5,2
5,5
6,3
5,1
l ,
C
мкм
A,
Ом·м
м
2,7
15
1,0
3,0
1,55
1,11
2,4
0,21
1,13
3,3
0,11
1,14
Для среднеквадратических отклонений контактных сопротивлений Rk
получены эмпирические зависимости от ширины резисторов:
Rk A / bC ,
(8.8)
219
где A, C - эмпирические коэффициенты, зависящие от технологии изготовления и материалов контактов.
Основная задача СРТП заключается в определении необходимости
настройки технологического оборудования и ТП по параметрам точности.
СРТП анализирует данные АСК по величинам погрешностей ТПР и выдает
информацию о необходимости регулирования ТП и возможных причинах
разладки.
При точной настройке ТП изготовления резисторов ИС по результатам
контроля - ой партии подложек для оценок средних погрешностей имеем:
s 0 , l l , b b , mk mk .
(8.9)
При выполнении соотношений (8.9) и корректировке размеров резисторов с учетом систематических погрешностей длины, ширины и контактных
сопротивлений оценки математических ожиданий КТП всех изготовленных
резисторов ИС i - ого типа - ой партии подложек будут близки к значениям:
(8.10)
ms оs , mli lоi , mbi bрасч.i ,
где bрасч.i - ширина резистора, откорректированная с учетом систематической погрешности контактных сопротивлений по формуле
оsl расч.i 2 оs mk
bрасч.i
.
(8.11)
Rоi
При выполнении соотношений (8.10) оценки математических ожиданий сопротивлений всех резисторов МПП будут близки к номинальным значениям: mRi Rоi .
Эффективность внедрения систем технологического обеспечения качества иллюстрируется на рис. 8.5 на примере изготовления тестовых структур
из материала РС5406К с удельным поверхностным сопротивлением резистивного слоя 50 Ом/кв.
До внедрения автоматизированных систем АСК и СРТП и методики
расчета резисторов с учетом производственных погрешностей, полученных с
помощью АСК, напыление резистивных сплавов проводилось с отклонением
– (10-15) % от номинального значения удельного поверхностного сопротивления, для того, чтобы получать в пределах поля допуска сопротивления резисторов с малыми длинами ( R1 , партия № 2). Поэтому резисторы с большими
размерами почти все проходили процесс подгонки в сторону увеличения сопротивлений до номинального значения ( R2 , R4 , партия № 2). При напылении резистивной пленки с величиной s , равной номинальному значению, большой процент сопротивлений резисторов с длиной (0,2-0,5) мм выходил за пределы поля
допуска ( R1 , партия № 1).
Геометрические параметры тестовых резисторов партии № 3 рассчитывались с учетом производственных погрешностей КТП для обеспечения номинальных значений и попадания сопротивлений резисторов в поле допуска ±10
%.
Автоматизированные системы технологического обеспечения качества
внедрены в производство, что позволило в два раза снизить трудоемкость на
220
операции доводки резисторов и на 30% увеличить процент выхода годных
МПП с ТПР.
R4
Партия № 3
R2
R1
R4
Партия № 2
R2
R1
R4
Партия № 1
R2
R1
-20
-15
-10
0
10
15
Допуск %
Рис. 8.5. Диаграмма полей рассеяния тестовых резисторов: партии № 1, 2 - до внедрения систем АСК и СРТП; партия № 3 - после внедрения систем АСК и СРТП
8.4 Приемочный контроль и испытания ЭС
При вводе в эксплуатацию, ЭС проходят испытания на заводе изготовителе и после монтажа на месте использования. Объём и последовательность испытаний устанавливают программой испытаний или техническими
условиями на конкретное ЭС.
Испытанием электронной аппаратуры называется экспериментальное определение значений параметров и показателей качества изделия в
процессе функционирования или при воспроизведении определенных воздействий на аппаратуру по заданной программе.
Испытания являются одним из важнейших и завершающих этапов
производства, т.к. по их результатам судят об эксплуатационной надежности
изделия.
Испытания могут быть контрольными – с целью контроля качества
продукции и исследовательскими, проводимые для установления зависимостей между предельно допустимыми значениями параметров продукции и
значениями режимов эксплуатации называемыми граничными.
По срокам проведения испытания делят на нормальные и ускоренные.
Ускоренными называют испытания, дающие информацию о показателях качества в более короткие сроки, чем в нормальных условиях эксплуатации.
Они могут быть форсированными и сокращенными.
Форсированные испытания основаны на интенсификации процессов, вызывающих отказы или повреждения путем увеличения нагрузок
(температуры, давления, скоростей и т.д.).
221
Сокращенные испытания обеспечивают уменьшение сроков испытаний за счет получения дополнительной информации вне испытания, применяя экстраполяции и другие методы без интенсификации причин отказов.
По методу проведения испытаний различают испытания разрушающие и неразрушающие.
Испытания проводят на этапах производства и эксплуатации. Различают испытания опытных образцов и изделий, изготовляемых серийно.
Основной задачей испытаний опытных образцов является наиболее
полное выявление соответствия их технологических и эксплуатационных
характеристик, требованиям технических условий. По результатам этих испытаний, называемых приемочными, решают вопрос о целесообразности
внедрения опытных образцов в серийное производство. В связи с этим испытания проводят очень тщательно по расширенной программе при жестких
режимах и длительных воздействиях различных климатических и механических факторов.
Для опытных образцов и изделий единичного производства применяют испытания следующих видов: предварительные, доводочные, ведомственные, межведомственные, государственные (лицензионные).
Предварительные (контрольные) испытания опытных изделий
проводят для определения возможности их предъявления на приемочные
испытания.
Доводочные испытания применяют в процессе разработки продукции для оценки влияния вносимых в нее изменений с целью обеспечения
требуемых показателей качества.
Изделия, изготовляемые серийно, подвергают контрольным испытаниям, приемо-сдаточным, периодическим, типовым и аттестационным.
Приемосдаточные испытания имеют целью проверки соответствия
изготовленных изделий требованиям технических условий.
Периодические испытания проводят в тех случаях, когда технические характеристики невозможно определять при приемосдаточных испытаниях. Периодические испытания позволяют следить за поддержанием качества продукции на требуемом уровне.
Типовые испытания готовых изделий проводят до, и после внесения
изменений в конструкцию или технологию изготовления с целью проверки
эффективности внесенных изменений или сравнения качества продукции,
выпущенной в различное время. Типовые испытания должны осуществляться по программе, обеспечивающей сопоставимость результатов испытаний
до и после внесений изменений.
Аттестационные испытания служат для оценки уровня качества
продукции. Испытания двух или большего числа изделий, проводимые в
идентичных условиях для сравнения характеристик их качества, называют
сравнительными.
222
Оценочные испытания являются разновидностью контрольных испытаний. Их проводят для такой оценки качества продукции, при которой не
требуется определять значения ее параметров.
Контрольные испытания могут быть сплошными или выборочными.
При сплошных испытаниях проверяют каждое изделие, а при выборочных
только часть и по полученным данным судят о годности всей партии.
Порядок проведения выборочных испытаний и его основные характеристики приведены в работе [10].
Обязательным условием допустимости выборочных испытаний является однородность состава генеральной совокупности изделий. Однако при
этом имеется определенная вероятность, что в генеральной совокупности
окажутся дефектные изделия. Значение этой вероятности может быть определено в зависимости от размеров выборки.
При разработке выборочного контроля необходимо установить число
испытуемых изделий, продолжительность испытаний и приемочное число
(ПЧ). Под ПЧ понимают наибольшее число дефектных изделий в выборке,
при котором результаты испытаний можно считать положительными. Если
число дефектных изделий больше чем ПЧ, результаты испытаний считают
отрицательными. В последнем случае возможны два решения: продолжить
контроль или забраковать всю партию, которая может быть подвергнута
сплошной проверке или возвращена изготовителю (исполнителю).
Вероятность приемки партии изделий, качество которых не соответствует установленному допустимому проценту дефектных изделий (ДПДИ),
называют риском заказчика (РЗ). По согласованию между заказчиком и изготовителем устанавливают приемлемый уровень качества (УК) изделий.
Вероятность забракования партии изделий, качество которых соответствует
УК, называют риском изготовителя (РИ).
Каждому плану выборочного контроля соответствует определенная
зависимость вероятности приемки от показателей качества. Оперативная характеристика справедлива только для определенного закона распределения
погрешностей (например: гауссовского).
Объем и последовательность испытаний изделий определяется программой испытания и техническими требованиями на конкретное изделие.
Основным требованием к изделиям, подвергаемым климатическим, механическим и электрическим испытаниям, является сохранение выходных (проверяемых) параметров после проведения испытания в пределах, установленных техническими условиями.
Испытания проводят в камерах и на стендах, имитирующих воздействие различных климатических и механических факторов. Если нельзя воспроизвести полный комплекс условий эксплуатации, то испытания проводят
в реальных условиях (натурные испытания).
223
Изделия перед испытанием должны пройти контроль и этап приработки. Приработка уменьшает вероятность отказов, вызванных скрытыми
дефектами производства. Приработка значительно удлиняет цикл изготовления, но повышает надежность продукции. Весьма важным является установление времени и режимов (тепловых и электрических) для выполнения
этой операции. Продолжительность приработки целесообразно ограничить
участком 1 кривой интенсивности отказов (рис.8.6).
1
2
0
3
Механические испытания
t
Рис. 8.6
8.5 Техническое обслуживание и ремонт ЭС
Для поддерживания ЭС в исправном состояние необходимо не только в
совершенстве знать и владеть ЭС, но и уметь организовать, и производить
эксплуатацию ЭС на научных основах.
Эксплуатация - это совокупность работ и организационных мероприятий для поддерживания ЭС в состояние технической исправности.
Важным эксплуатационным свойством ЭС, характеризующими её возможность, является безотказность, готовность к выполнению основных
функций и ремонтопригодность.
8.5.1 Безотказность неремонтируемых и ремонтируемых изделий
Под безотказностью понимается свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки.
Вероятность безотказной работы можно представить как вероятность
того, что время безотказной работы объекта больше некоторого заданного
времени.
P(t)=P(t<t0)
(8.12)
Возникновение отказа является случайным событием, поэтому время
появления отказа - также случайная величина.
Практически величина вероятности безотказной работы определяется
статистическим путём по информации об отказах за выбранный промежуток
времени, т. е. статистическая вероятность равна:
Pi
N ni
,
N
(8.13)
где N - число объектов вначале испытаний; ni - число объектов, отказавших
за время ti.
224
При значительном числе объектов статистическая вероятность Pi сходится к вероятности P(t). Надёжность объекта иногда удобнее характеризовать вероятностью отказа
q(t)=1-P(t)=.
(8.14)
Безотказность неремонтируемых объектов.
Показателями безотказности неремонтируемых объектов (элементов)
являются: вероятность безотказной работы P(t), частота отказов f(t), интенсивность отказов λ(t) и средняя наработка до первого отказа Тср.
Под частотой отказов элементов понимают число отказов в единицу
времени, отнесённое к первоначальному числу поставленных на испытание
элементов.
По статистическим данным частота отказов равна
ni
,
(8.15)
fi
N ti
где Δni - число отказов в интервале времени Δti; N - число испытуемых элементов; Δti - время испытаний.
При этом отказавшие в процессе испытаний элементы не заменяются
новыми, и число работающих элементов постепенно уменьшается.
Под интенсивностью отказов понимают число отказов в единицу
времени, отнесённое к среднему числу элементов, безотказно работающих в
данный промежуток времени. При этом отказавшие элементы не заменяются.
Из опытных данных эта характеристика рассчитывается по формуле:
ni
, ч-1 ,
(8.16)
Nср t i
где Nср Ni Nil - среднее число работоспособных элементов; Ni- число
2
элементов работоспособных в начале рассматриваемого промежутка времени;
Ni+1 - число элементов, работоспособных в конце промежутка времени Δti.
Интенсивность отказов λ(t) связана однозначной зависимостью с f(t) и
P(t):
fi
(8.17)
i .
Pi
При наличии групп различных элементов получим:
K
KN ( t ) N i i ( t ) .
i 1
(8.18)
Средней наработкой до первого отказа называется математическое
ожидание времени работы до первого отказа. По данным испытаний, Тср однотипных элементов определяется как
225
N
ti
(8.19)
Тср
i 1 N
где ti - время исправной работы i-го элемента; N - общее число испытанных
элементов.
Практически же знать время продолжительности исправной работы ti
всех элементов не представляется возможным. Тогда
m
Тср
n i t ср.i
i 1
,
(8.20)
N
где Δni - количество отказавших элементов в интервале времени Δt=ti+1- ti; tit
t t
время в начале i-го интервала, при этом t ср.i i il и m N ; tN - время, в
t
2
течение которого отказали все элементы.
Безотказность ремонтируемых объектов.
Для ремонтируемых объектов характерно чередование исправного состояния и ремонта после отказа, т. е. процесс их эксплуатации можно представить как последовательное чередование интервалов времени работоспособности и неработоспособного состояний. Появление отказов в каждом из
объектов можно рассматривать как поток требований для ремонта.
Показателями безотказности ремонтируемых объектов являются: вероятность безотказной работы P(t), параметр потоков отказов ω(t), средняя
наработка на отказ T0 .
Параметр потока отказов (среднее число отказов за время рассматриваемого потока)
n i
.
(8.21)
N t
При этом число элементов в процессе испытаний остаётся неизменным,
(отказавшие элементы заменяются новыми).
В сложном объекте (устройстве) результирующий поток отказов равен
сумме потоков отказов отдельных устройств:
N
N i .
i 1
(8.22)
Для ремонтируемых объектов удобным для практики критерием надёжности является среднее число часов работы между соседними отказами,
обычно называемое наработкой на отказ T0.
t
T0 .
(8.23)
n
Если испытаниям подвергаются N однотипных объектов, то
N
T0
ti
i 1
N
.
(8.24)
ni
i 1
Для простейшего потока
226
1
.
T0
(8.25)
8.5.2 Готовность и ремонтопригодность ЭС
Готовность ЭС.
Свойство и факторы, определяющие уровень готовности ЭC, по своей
природе являются случайными, т. к. они зависят от большого числа случайных характеристик и параметров (наличие возможных отказов, характер
требуемого ремонта и регулировок, техническое состояние аппаратуры и т.
д.). Поэтому показатели готовности ЭC носят вероятностно-статистический
характер.
Показателями готовности являются: коэффициент готовности КГ, коэффициент оперативной готовности КО.Г., коэффициент технического использования КТ.И..
Коэффициент готовности КГ - вероятность того, что объект окажется
работоспособным в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых использование объекта по назначению не предусматривается (плановый ремонт, плановое техническое обслуживание и т.
д.).
Коэффициент готовности для большинства ремонтируемых объектов
имеет вид:
Т0
.
(8.26)
КГ
Т 0 Т Т.Р.
Из формулы видно, что величина КГ может быть повышена как за счёт
увеличения наработки на отказ Т0, так и за счёт сокращения средней продолжительности текущего ремонта ТТ.Р..
Коэффициент оперативной готовности КО.Г. - это вероятность того, что
объект, находясь в режиме ожидания, окажется работоспособным в произвольный момент времени и, начиная с этого момента, будет работать безотказно в течение заданного интервала времени.
KО.Г.=KГ P(t) ,
(8.27)
где P(t) - вероятность безотказной работы в течение заданного времени. Коэффициент технического использования имеет вид:
Т0
,
(8.28)
К Т.И.
Т 0 Т Р Т Т0
где Т 0 - суммарная наработка всех объектов; Т Р - суммарное время простоев из-за плановых и внеплановых ремонтов всех объектов; Т Т 0 - суммарное время простоев из-за планового и внепланового технического обслуживания всех объектов.
Ремонтопригодность ЭС.
В современных ЭC рост количества комплектующих элементов опе227
режает рост их безотказной работы, что приводит к уменьшению среднего
времени безотказной работы и увеличению времени вынужденного простоя
аппаратуры. Поэтому приходится уделить особое внимание ремонтопригодности, как одной из проблем обеспечения надёжности ЭC.
Под ремонтопригодностью понимают свойство ЭC, заключающееся в
приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений и восстановлению работоспособного состояния
путём проведения технического обслуживания и ремонта. Показатели ремонтопригодности вводятся для ремонтируемых объектов. Для ремонтируемых объектов удобным для практики критерием надёжности является среднее число часов работы между двумя соседними отказами, обычно называемое наработкой на отказ Т0.
Если ЭC определённого типа проработала суммарное время t∑ и имела
при этом n отказов в работе, то наработка на отказ
t
.
(8.29)
n
Если же испытаниям подвергаются N однотипных объектов то
T0
N
T0
ti
i 1
N
ni
.
(8.30
i 1
Процесс ремонта, заключающийся в обнаружении и устранении отказа, является случайным. В качестве случайной величины берётся среднее
время ремонта, которое слагается из времени, затрачиваемого на обнаружение отказа, поиск причин его возникновения и устранение последствий отказа.
Для количественной оценки ремонтопригодности применяются два
показателя: средняя продолжительность текущего ремонта ТТ.Р.; средняя
продолжительность технического обслуживания ТТ.О..
Средняя продолжительность текущего ремонта есть математическое
ожидание времени восстановления работоспособности:
TT.P. TP.i f (t i ) dt ,
(8.31)
0
где ТР.i .- время ремонта i-го объекта; f(ti) - плотность распределения случайной величины времени ремонта.
В процессе эксплуатации ведётся учёт отказов и времени ремонтов.
Тогда за отдельное время t по статистическим данным
n
TP.i
TT.P. i1
,
(8.32)
n
где n - количество отказов за время t.
Величина обратная средней продолжительности текущего ремонта
228
1
TT.P.
называется интенсивностью ремонта и характеризует количество ремонтов,
произведённых в единицу времени.
P
mP
TP.i t P. j ,
(8.33)
j1
где tPj - среднее время работы при выполнении j -й операции при i- м ремонте; mР - число операций при выполнении i -го ремонта.
При экспоненциальном распределении времени ремонта нижнюю и
верхнюю границы среднего времени ремонта находят из выражений:
TР.Н ТР r2 ,
(8.34)
(8.35)
TP.B. TP r1 .
Коэффициенты r1 и r2 определяются по формулам:
2n
,
(8.36)
r1 2
[P(),2n ]
2n
.
(8.37)
r2 2
[1 P(),2n ]
Значение коэффициентов r1 и r2 табулированы для различных вероятностей P() и n, и приведены в таблице 1 и 2 приложения.
Если время ремонта подчиняется закону Эрланга, распределение
плотности вероятности (tP) статистической оценки для неизвестного среднего времени ремонта TP имеет вид:
22n n
(t P ) 2n
( t P ) 2 n 1 e
TP (2n )
2 ntP
TP
.
(8.38)
По формуле рассчитывается вероятность попадания величины TP в заданные пределы, т. е. рассчитывается доверительная вероятность. Для различных значений доверительной вероятности P() и числа опытов n рассчитаны коэффициенты 1 и 2 для параметра TP , которые табулированы и
приведены в таблице 3 приложения. Значения TР.Н. и ТР.В. находятся по
формулам:
Т
Т Р.Н . Р ,
(8.39)
2
Т
Т Р . В. Р .
(8.40)
1
8.5.3 Периодичность и продолжительность профилактических работ
229
При эксплуатации ЭC возникает два вида отказов - внезапные и постепенные.
Появление внезапных отказов представляет собой простейший поток
случайных событий, поэтому прогнозировать их не представляется возможным (их устраняют по мере возникновения).
Постепенные отказы возникают в результате постепенного изменения
параметров элементов аппаратуры, что позволяет прогнозировать и предотвращать их профилактическими мероприятиями при проведении технического обслуживания. Однако следует учитывать, что при увеличении объёма
и общего времени профилактики в течение года, уменьшается коэффициент
технического использования ЭC.
К Т .И.
Т 0
Т0
,
Т Р Т Т0
(8.41)
где Т0 - суммарная наработка в течение рассматриваемого календарного
времени, ТР - суммарное время ремонтов за время; ТТ0 - суммарное время
всех профилактических работ за время tк.
В качестве основного критерия для выбора оптимального периода проведения
профилактических работ целесообразно принять коэффициент простоя КП.
Т . О . Т Т .О . Т О . П .
,
(8.42)
Т О. П .
где Т.О. - время между профилактиками; ТТ.0. - средняя продолжительность
выполнения профилактики; Т0.П. - наработка (работоспособное состояние)
между двумя профилактиками.
КП
Для определения оптимального периода Т.О можно воспользоваться
выражением:
2Т Т . О .
Т .О .
,
(8.43)
n
где n - интенсивность отказов при проведении профилактики. Для случая
экспоненциального распределения отказов:
(8.44)
Т.О. 2 Т Т.О. Т О.П. .
При определении периода проведения профилактических работ на аппаратуре, которая определённую часть времени используется по назначению, а остальное время находится в выключенном состоянии, необходимо
учитывать как интенсивность отказов аппаратуры во время её работы - λ1
так и во время, когда она находится в выключенном состоянии λ2. Соотношение между временем включенного и выключенного состояний характеризуется коэффициентом эксплуатации:
230
nb
ti
К И i1 ,
tk
(8.45)
где ti - время работы аппаратуры при i -том включении; nb - число включений за время tk ; tk - календарное время работы аппаратуры.
Вероятность нахождения аппаратуры в выключенном состоянии равна
1-KИ. Тогда суммарная интенсивность отказов
С К И 1 1 К И 2 .
(8.46)
С учётом (8.47) (т.е. вместо λn подставив λС,) выражение (34.33) можно
записать:
Т .О .
2Т Т.О.
.
К И 1 (1 К И ) 2
(8.47)
Если отказами в выключенном состоянии аппаратуры пренебречь, то
Т .0
2Т Т.0
.
КИ n
(8.48)
В связи с миниатюризацией аппаратуры, обусловленной внедрением
высоконадёжных интегральных микросхем и других изделий электронной
техники, повышающих надёжность, стабильность характеристик и параметров аппаратуры, расчёт периодичности профилактических работ по формулам (8.43), (8.48), (8.49) может дать завышенные результаты. В действительности профилактические работы необходимо проводить реже. Тогда формула (8.49), которая наиболее часто используется в расчётах, будет иметь вид
Т.ОС К СТ
2Т Т.0
,
КИ n
(8.49)
где КСТ - коэффициент, учитывающий стабильность параметров аппаратуры,
который определяется по результатам эксплуатации или специальных испытаний.
Для дежурной аппаратуры, которая небольшую часть времени работает под током, а остальное время находится в обесточенном состоянии, при
выборе периодичности профилактических работ можно пользоваться формулами (8.47), (8.48) или (8.49). Если же условие противоположное, то можно пренебречь влиянием на безотказность величин λ2 и КИ, и период τТ.0
следует вычислять по формуле (8.43).
Если же аппаратура является аппаратурой разового действия, то величина τТ.0 определяется
2Т Т.О.
,
(8.50)
Т .О .
хр
где λхр - интенсивность отказов в режиме хранения.
231
Обычно xp 1 1010 3 1 , где λ1 - интенсивность отказов в режиме
работы под током (во включённом состоянии).
Глава 9 ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ
ПРОЦЕССЫ ЭС
9.1 Технология внутреннего монтажа
Технологию поверхностного монтажа элементов на печатные платы в
последнее время во многих случаях может заменить разрабатываемая в России более совершенная технология внутреннего монтажа. Технология внутреннего монтажа позволяет проводить интеграцию схемных функций, объединяя маломощные узлы в одном миниатюрном блоке. Эта технология эффективно используется в специальной радиоэлектронике и может быть
внедрена во многие виды аппаратуры коммерческого использования.
Технология внутреннего монтажа исключает не только процессы корпусирования ИС, но и формирование выводов ИС, внутренних (внутрикорпусных) и внешних, а сними и операции пайки и сварки выводов. Технология мокрого химического травления печатных плат заменяется технологией
вакуумного напыления проводников через свободные маски. При этом одновременно с формированием токоведущих дорожек печатной платы методом вакуумного напыления происходит соединение контактных площадок
ИС с токоведущими дорожками.
В соответствии с технологией внутреннего монтажа кристаллы ИС не
корпусируются, а закладываются в тело самой подложки – основы функционального радиоэлектронного блока печатной платы. Поэтому технология и
получила название «внутренний монтаж». Это серийная технология прошедшая все виды испытаний и отраженная в военном стандарте (ОСТ В11
1009-2001 «Микросборки и многокристальные модули») используется в
специальной аппаратуре для изготовления аналоговых, цифровых, высокочастотных и др. электронных устройств.
Сечение функционального электронного блока, изготовленная по технологии внутреннего монтажа, представлено на рис. 9.1.
Технология внутреннего монтажа по сравнению с технологией печатного монтажа и технологиями изготовления ГИС имеет следующие преимущества:
- меньше паразитных явлений индуктивной и конденсаторной природы;
- слабое реагирование модулей и блоков на внешнее несанкционированные электромагнитные воздействия;
- многократное уменьшение габаритов;
- повышение надежности;
- возможность радиационно-стойкого исполнения.
232
Кристаллы для внутреннего монтажа – это бескорпусные кристаллы,
нарезанные из пластин. Для внутреннего монтажа кристалл представляет законченные элемент сборки, не требующий корпусирования; роль корпуса
после внутреннего монтажа выполняет сама основа функционального радиоэлектронного блока.
2
3
4
1
5
6
Рис. 9.1 Сечение функционального электронного блока с внутренним монтажом
кристаллов: 1 – кристалл ИС; 2 – пассивный электронный компонент; 3 – паяное соединение; 4 – токоведущие дорожки (Ti-Cu-Ni); 5 – слой диэлектрика (парилен, полиимид);
6 – основа печатного узла (металл, керамика)
9.2 LTCC технология
Основными материалами для производства многослойных печатных
плат традиционно являлись органические материалы с низкими значениями
диэлектрической проницаемости (FR-4, εr = 3,5 - 4,5) и керамика с высокими
значениями диэлектрической проницаемости (εr = 10 - 12). Увеличение рабочих частот электронных приборов требовало создания нового материала,
который бы, с одной стороны, позволял легко создавать многослойные печатные платы, и, с другой стороны, на высоких частотах имел бы характеристики, схожие с керамикой. Новый материал получил название низкотемпературная совместно обжигаемая керамика (Low Temperature Cofired Ceramic
(LTCC)).
Многослойные керамические платы первоначально изготавливались
из оксида алюминия Al2O3 (High Temperature Cofired Ceramic - HTCCтехнология). Данный материал обжигался при высоких температурах (Т
≥1500°C), поэтому слои металлизации выполнялись только из тугоплавких
металлов: вольфрама и молибдена. Это вносило ряд ограничений в функциональные возможности приборов, в усовершенствование технологии и снижение стоимости производства.
Своё дальнейшее развитие многослойная керамика получила с внедрением технологии LTCC, когда керамику начали смешивать со специальными стеклами . Температура обжига керамики снизилась до 850°С, что
привело к существенному упрощению производственного процесса. В
233
настоящее время к технологии LTCC относят керамику, обжигаемую при
температурах ниже 100°C.
Низкие потери СВЧ и относительно невысокая стоимость производства являются ключевыми преимуществами LTCC технологии для ВЧ и
СВЧ приборов. По стоимости LTCC технология приближается к технологии
изготовления печатных плат на основе FR-4, а по своим диэлектрическим
характеристикам низкотемпературная керамика сопоставима с алюмооксидной керамикой.
Основные преимущества и применение LTCC технологии.
Очень хорошие электрические характеристики и стабильность до миллиметровых длин волн. В зависимости от используемых материалов диэлектрическая проницаемость низкотемпературной керамики варьируется от 6
до 9, а тангенс угла диэлектрических потерь от 0,001 до 0,006 в гигагерцовом диапазоне. В качестве металлизации используются металлы с низким
удельным сопротивлением (Ag, Au, Pt).
Превосходная механическая стабильность и сохранение линейных
размеров. Это преимущество возникает не только из-за малого коэффициента теплового расширения (5-7 мкм/мС), но и из-за эластичных свойств в широком диапазоне температур.
Низкий КТР. КТР низкотемпературной керамики близок к КТР основных полупроводниковых материалов электроники (Si, GaAs, InP). Это позволяет монтировать полупроводниковые кристаллы непосредственно на основание платы.
Хорошая теплопроводность. Теплопроводность LTCC керамики составляет 2-4 Вт/мК, что гораздо выше, чем у печатных плат на основе органических материалов (0,1-0,5 Вт/мК). Теплопроводность LTCC также может
быть улучшена за счёт создания тепловых стоков с помощью металлизации
(до 20 Вт/мК).
234
Возможность 3D интеграции. Можно легко создавать полости, отверстия, ограничители, встроенные пассивные компоненты.
Герметичность и возможность высокотемпературной пайки. Плотная
структура LTCC керамики не пропускает влагу, поэтому корпуса из керамики могут быть использованы в атмосфере с высокой влажностью без дополнительной защиты. Также LTCC материалы в отличие от органических материалов сохраняют свои свойства во влажной среде (большая часть органических материалов сильно подвержена влиянию влаги).
В дополнение к этому технология LTCC доказала свою надёжность и
экономическую эффективность в широком спектре задач СВЧ электроники.
Благодаря всем вышеперечисленным особенностям, LTCC технология
нашла широкое применение в создании многослойных плат для высокочастотных электронных приборов, корпусов микросхем и выступает в качестве
альтернативы многослойным печатным платам из стеклотекстолита и высокотемпературной керамики.
Микросхемы с корпусами на основе низкотемпературной совместно
обжигаемой керамики успешно применяются в автомобильной, потребительской электронике, телекоммуникациях, спутниковых системах и в военных изделиях. Миллионы устройств уже созданы на основе LTCC технологии и функционируют в настоящее время.
Изначально LTCC технология использовалась для крупносерийного
производства СВЧ устройств. Но благодаря своим диэлектрическим и механическим свойствам, а также надёжности и стабильности, низкотемпературная керамика начала активно применяться и для производства различных
сенсоров, механических систем (МЭМС-устройств) и трёхмерных интегрированных структур.
Технология производства LTCC
235
Процесс производства изделий из LTCC керамики начинается с создания керамической суспензии путём смешивания керамического порошка,
органических связующих, растворителей и модифицирующих добавок. Из
суспензии впоследствии формируется керамическая лента. Лента нарезается
на листы необходимых размеров в соответствии с имеющимся оборудованием. Затем производится формирование переходных отверстий, заполнение
переходных отверстий проводящей пастой и формирование топологии с помощью специальных проводящих и резистивных паст. Керамические листы
совмещаются, ламинируются, разрезаются на отдельные элементы и обжигаются. Процесс термообработки керамики, как правило, состоит из этапа
изостатического ламинированные при температурах 60-70°С под давлением,
этапа выжигания органики при температурах 450-500°С в течение 2-2,5 часов, затем следует обжиг при температуре 850°С в течение 10 минут.
Низкие температуры обжига позволяют использовать металлы с низким удельным сопротивлением (золото, серебро). Это является одним из
ключевых преимуществ LTCC технологии, поскольку позволяет существенно снизить стоимость создания многослойной керамической структуры и
улучшить характеристики. Использование серебра снижает электрическое
сопротивление проводящих слоёв, а окислительная атмосфера (воздух) даёт
возможность совместно применять оксидную керамику с высоким коэффициентом диэлектрической проницаемости.
После обжига LTCC керамика сохраняет свою структуру даже при
воздействии высоких температур. Это позволяет создавать устройства, работающие в широком диапазоне температур. Керамика во время обжига становится более плотной и, как правило, даёт усадку в размерах на 9-15% в
плоскости листов (ось X, Y) и на 10-30% в направлении, перпендикулярном
плоскости листов (ось Z). Это необходимо учитывать как при проектировании систем на основе LTCC, так и при выборе проводящих/резистивных
паст. Пасты должны иметь коэффициент усадки, схожий со значениями для
керамических листов.
236
Основными материалами, необходимыми для производства LTCC изделий, являются керамические порошки, специальные добавки, готовые керамические листы, а также пасты для создания проводников и встроенных
пассивных компонентов. Все эти материалы объединяются в специальные
LTCC системы, в которых каждый компонент создан с учётом обеспечения
химической и физической совместимости с другими элементами. Создание
LTCC системы – сложный, наукоёмкий процесс, требующий существенных
инвестиций. Поэтому, как правило, каждая LTCC система представляет собой уникальное решение, и заменить один из его компонентов материалом
другого производителя не представляется возможным.
Керамические листы.
Керамические листы, сформированные из керамической суспензии,
являются базовым материалом для производства изделий СВЧ электроники.
От качества керамических листов зависят стабильность и повторяемость параметров технологического процесса производства LTCC устройств. Кроме
того, характеристики керамических листов определяют функциональные
возможности устройств, работающих на высоких частотах. Низкотемпературная керамика создаётся на основе кристаллизированного стекла или смеси стекла и керамики (Al2O3, Si2O3, PbO и т.д.). Свойства керамической ленты могут быть модифицированы добавками с различными электрическими и
физическими свойствами (пьезоэлектрики, ферроэлектрики и т.д.) в зависимости от решаемой задачи. Коэффициент теплового расширения может быть
подобран для согласования с алюмооксидной керамикой, кремнием или арсенидом галлия.
LTCC керамика сохраняет свои характеристики в широком спектре
частот и очень хорошо подходит для применения в высокочастотной технике. Материал керамики демонстрирует стабильность коэффициента диэлектрической проницаемости k и диэлектрических потерь.
Некоторые производители комбинируют в одном процессе материалы
с низким значением диэлектрической проницаемости k и материалы с высокими значениями k. Это даёт возможность создавать внутренние конденсаторы высокой ёмкости, позволяя уменьшать размеры GaAs СВЧ микросхем.
Низкотемпературная совместно обжигаемая керамика продолжает совершенствоваться как в области технологических параметров, так и в области физических и электрических характеристик.
Пасты.
Проводники, совместимые с низкотемпературной керамикой, являются важнейшей частью LTCC систем. Металлизация может быть создана на
основе золота, серебра или их совместного использования (серебряные пасты для формирования внутренних проводников, золотые для поверхности).
Проводящие пасты легко наносятся методом трафаретной печати и дают
возможность получать топологию с высоким разрешением. При совместном
обжиге важными параметрами LTCC металлизации являются усадка и тепловое расширение материалов. Они должны быть сопоставимы с параметрами для используемой керамики. Помимо этого, пасты для металлизации
237
должны быть химически совместимы с материалом низкотемпературной керамики. Крупные производители, как правило, предлагают комплексные
LTCC системы, в которых керамические материалы и проводящие/резистивные пасты подобраны для получения полной совместимости.
Низкие потери СВЧ являются особенностью LTCC систем. Проведенные исследования показали, что потери, связанные с проводниками, становятся сравнимыми с потерями в диэлектриках при частотах свыше 1 ГГц.
Это необходимо учитывать при проектировании устройств и выборе системы LTCC материалов (керамика + проводящие пасты). Потери в проводниках ограничены не только внутренним удельным сопротивлением, но и природой органической связки в пастах, геометрией и шероховатостью поверхности проводящих дорожек. Проводники на основе золота имеют более высокие потери, чем проводники на основе серебра, поскольку золото обладает
большим удельным электрическим сопротивлением (2,3 Ом-см у золота
против 1,6 Ом-см у серебра). Очевидно, что переход на проводящие материалы на основе серебра не только снижает потери, но и уменьшает стоимость
LTCC системы.
Однако когда надёжность и использование проволочной микросварки
являются основными критериями выбора технологии, проводники на основе
золота более предпочтительны. Смешанные системы металлизации совмещают в себе достоинства золотых и серебряных проводников. В таких системах золото используется для создания поверхностных проводников, а серебро – для внутренних. Переход между двумя металлами осуществляется с
помощью специальных паст, предотвращающих возникновение эффекта
Киркендаля (взаимной диффузии атомов золота и серебра). Таким образом,
система смешанной металлизации позволяет создавать относительно недорогие устройства с высоким быстродействием.
Компании производители LTCC материалов предлагают широкий
спектр материалов для создания резисторов и конденсаторов, встроенных в
многослойную керамическую плату. Резистивные пасты позволяют создавать встроенные резисторы с сопротивлением от 10 до 10000 Ом/квадрат с
допусками ±10% и температурными коэффициентом сопротивления
±200х10-6C-1. Параэлектрические и сегнетоэлектрические материалы доступны с диэлектрической проницаемостью от 5 до 2000, с минимально возможной толщиной нанесения 10 мкм, но не всегда удаётся обеспечить химическую совместимость материалов паст и керамики.
Развитие резистивных и диэлектрических материалов продолжается в
направлении создания резисторов с высоким значением сопротивления, с
более высокими допусками и низким значением температурного коэффициента сопротивления. Также производители материалов для LTCC технологии стремятся создать химически совместимые диэлектрики с высокими
значениями диэлектрической постоянной.
238
Материалы Ferro для LTCC технологии.
Компания Ferro получила широкую известность среди разработчиков
и производителей СВЧ электроники благодаря высоким техническим характеристикам, надёжности и качеству материалов для LTCC технологии.
Низкотемпературная совместно обжигаемая керамика Ferro более 20
лет присутствует на рынке СВЧ электроники. Она активно применяется ведущими производителями для создания компонентов радарных систем, антенн, фильтров и телекоммуникационных изделий. Постоянные глубокие
исследования в области материалов для электроники позволяют компании
Ferro занимать лидирующие позиции на рынке. LTCC системы включают в
себя полный спектр материалов. Среди них керамический порошок, керамические ленты и листы, пасты для создания внутренних и внешних проводников, пасты для метал- лизации переходных отверстий, пасты для создания
встроенных резисторов. Керамические материалы и металлические пасты
подобраны с учётом полного согласования материалов.
Основные решения Ferro для LTCC технологии представлены тремя
основными системами материалов:
Система A6-M: основной компонент LTCC керамики Ferro. Запатентованный стеклокерамический материал для высокочастотных приборов (до 110 ГГц) с низким значением вносимых потерь. Данная LTCC система создана для изделий с повышенными требованиями к надёжности.
Поставляется в виде керамической ленты. Металлизация на основе золота.
Система A6-S: альтернатива A6-M для СВЧ изделий. A6-S создана на основе запатентованного кальциевого боро-силикатного стекла для
недорогих СВЧ устройств, работающих в диапазоне от 2,45 до 100 ГГц.
LTCC система на основе смешанной металлизации (золото + серебро). Поставляется в виде керамической ленты или порошка.
Система L8: бюджетная альтернатива LTCC системе A6. Стеклокерамический материал для модулей, корпусов, подложек и сложных
LTCC компонентов. Стабильное значение K и малые потери до 30 Ггц. Используется для создания низкочастотных и среднечастотных приборов для
телекоммуникации, радарных систем, авионики, спутниковой техники и
других задач. Поставляется в виде керамической ленты или порошка. Система совместима с золотой, серебряной и смешанными металлизациями,
специально созданными для данной системы.
Основными преимуществами металлических паст Ferro, созданных
для различных типов керамики, являются высокие характеристики и полная
технологическая совместимость с керамическими листами. Металлические
пасты Ferro отличаются высокой адгезией к керамическому основанию, соответствием КТР и коэффициентов усадки аналогичным параметрам керамических листов, низким удельным сопротивлением и стабильностью электрических характеристик. При термообработке в металлизации не образуются поры и пустоты. Металлизация для переходных отверстий позволяет создавать качественное соединение металлов разных уровней и не вызывает
образования трещин в материале керамики. Поверхностная металлизация
239
отличается высоким качеством поверхности, что позволяет в дальнейшем, в
зависимости от задачи, осуществлять качественную пайку или сварку проволочных или ленточных выводов.
Приложение
Таблица 1.
Значения коэффициента r1
Вероятность Р
n
1
2
3
4
5
6
8
10
15
20
25
30
40
50
60
80
100
150
200
250
300
400
500
600
800
1000
0,999
Вероятно
1000
44
стьР(е )
15,7
9,33
6,76
5,43
4,06
3,38
2,59
2,23
2,02
1,89
1,72
1,61
1,56
1,47
1,40
1,31
1,26
1.23
1,21
1,18
1,16
1,14
1,12
1,11
0,99
100
13,5
6,88
4,85
3,91
3,36
2.75
2,42
2,01
1.81
1,68
1,60
1,50
1,43
1,38
1,32
1,28
1,22
1,19
1,17
1,15
1,13
1,11
1,10
1,09
1,08
0,975
40
8,26
4,84
3,67
3,08
2,73
2,31
2,08
1,78
1,64
1,55
1,48
1,40
1,35
1,31
1,26
1,23
1,18
1,16
1,14
1,12
1,11
1,09
1,08
1,07
1,06
0,95
19,5
5,63
3,66
2,93
2,54
2,29
2,01
1,83
1,62
1,51
1,44
1,39
1,32
1,28
1,25
1,21
1,19
1,15
1,13
1,11
1,10
1,09
1,08
1,07
1,06
1,05
0,9
9,50
3,77
2,73
2,29
2,05
1,90
1,72
1,61
1,46
1,37
1,33
1,29
1,24
1,21
1,19
1,16
1,14
1,12
1,10
1,09
1,08
1,07
1,06
1,05
1,05
1,04
0,8
4,48
2,42
1,95
1,74
1,62
1,54
1,43
1,37
1,28
1,24
1,21
1,18
1,16
1,14
1,12
1,10
1,09
1,07
1,06
1,06
1,05
1,04
1,04
1,04
1,03
1,03
240
Таблица 2.
Значение коэффициента r2
n
1
2
3
4
5
6
8
10
15
20
25
30
40
50
60
80
100
150
200
250
300
400
500
600
800
1000
0,999
Вероятно
0,14
0,22
CTbP(e )
0,27
0,31
0,34
0,36
0,41
0,44
0,50
0,54
0,58
0,60
0,64
0,67
0,70
0,73
0,75
0,79
0,81
0,83
0,84
0,86
0,88
0,89
0,90
0,93
0,99
0,22
0,30
0,36
0,40
0,43
0,46
0,50
0,53
0,59
0,63
0,66
0,68
0,71
0,74
0,76
0,78
0,80
0,84
0,86
0,87
0,88
0,89
0,90
0,91
0,92
0,93
Вероятность Р
0,975
0,27
0,36
0,42
0,46
0,49
0,52
0,56
0,58
0,64
0,67
0,70
0,72
0,75
0,77
0,79
0,81
0,83
0,86
0,88
0,89
0,90
0,91
0,92
0,92
0,93
0,94
0,95
0,33
0.42
0,48
0,52
0,55
0,57
0,61
0,64
0,68
0,72
0,74
0,76
0,78
0,80
0,82
0,84
0,86
0,88
0,89
0,90
0,91
0,92
0,93
0,94
0,94
0,95
0,9
0,43
0,51
0,57
0,60
0,92
0,65
0,60
0,70
0,74
0,77
0,79
0,80
0,83
0,84
0,86
0,87
0,88
0,90
0,92
0,92
0,93
0,94
0,94
0,95
0,96
0,96
0,8
0,62
0,67
0,70
0,73
0,75
0,76
0,78
0,80
0,83
0,85
0,86
0,87
0,88
0,89
0,90
0,91
0,92
0,93
0,94
0,95
0,95
0,96
0,96
0,97
0,97
0,97
241
Рекомендуемая литература
Основная литература
1. Юрков Н.К. Технология производства электронных средств / Н.К.
Юрков – Санкт-Петербург: Издательство `Лань`, 2014 – 480 стр.
http://e.lanbook.com/view/book/41019/
2. Медведев А.М. Печатные платы. Конструкции и материалы / А. М.
Медведев . - М.: Техносфера , 2005. - 302 с.
3. Медведев А.М. Технология производства печатных плат : / А. М.
Медведев . - М. : Техносфера , 2005. - 358 с.
4. Медведев А.М. Сборка и монтаж электронных устройств / А. М.
Медведев . - М. : Техносфера , 2007. - 255 с.
5. Пирогова Е. В. Проектирование и технология печатных плат – М.:
издательство: Форум, Инфра-М, 2005 – 560с.
6. Грачев А.А. Конструирование электронной аппаратуры на основе
поверхностного монтажа компонентов / А.А. Грачев, А.А. Мельник, Л.И.
Панов – М.: НТ Пресс, 2006. – 384с.
7. Простатов И.Л. Планирование инженерного эксперимента.: учебное
пособие / И.Л. Простатов. - Казань : Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2004. 135 с
8. Простатов И.Л. Планирование инженерного эксперимента.: учебное
пособие / И.Л. Простатов. - Казань : Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2004. 135 с
9. Крючатов В.И. Автоматизированные системы технологического
обеспечения качества при проектировании и серийном изготовлении высоконадежных тонкопленочных интегральных схем с резистивными элементами:
Учебное пособие. – Казань: ЗАО «Новое знание», 2013. – 179 с.
10. Крючатов В.И. Составление плана контроля надежности аппараткуры при известном и неизвестном законах распределения наработки аппарватуры на отказ: методическик указания к практическим занятиям / В.И.
Крючатов. – Казань : Изд-во Казан. гос. техн. ун-та, 2001. 32 с.
Дополнительная литература
1.
Технология и автоматизация производства радиоэлектронной
аппаратуры: Учебник для вузов./И.П. Бушминский, О.Ш. Даутов, А.П. Достенко и др.; Под ред. А.П. Достенко, Ш.М. Чабдарова.- М.: Радио и
связь,1989. – 624с.: ил.
2.
Управление качеством электронных средств: Учебник для вузов./ О.П. Глудкин, А.И. Гуров, А.И. Коробов и др.; Под ред. О.П.Глудкина.
– М.: Высш. шк.,1994. – 414с.: ил.
3.
Хартман К., Лецкий Э., Шеффер В.И др. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов. / Под ред. Лецкого.М.: Мир, 1977г.
242
4.
Леонов А.И., Дубровский Н.Ф., «Основы технической эксплуатации бытовой РЭА». М., Легпромбытиздат,1991.
5.
Ксенз С.П. «Диагностика и ремонтопригодность радиоэлектронных средств».М.,1989.
6.
«Рекомендации. Аппаратура радиоэлектронная бытовая. Показатели и оценка ремонтопригодности и контролепригодности» Р-50-8488,М,1988.
243