А также некоторых общих моментов проектирования плат с учетом требований монтажа и в частности автоматического монтажа поверхностных компонентов

Вид материала

Доклад

Содержание Большая физическая и термальная масса плат, влияющая на режимы пайки Менее жесткий слой диэлектрика Комментарии по дефектам Повышенная механическая прочность Сложности, возникающие при разделении плат и обработкой их контура. Различия в режимах пайки Приминение соответствующего оборудования Повышение температуры в нижних зонах печи Повышение длительности процесса пайки и пиковая зона Переходные отверстия Необходимость объединения в мультизаготовки Реперные метки

Подобный материал:

• Инструкция по монтажу шинопроводов напряжением до 1000 в всн 363-76, 574.21kb.
• Цифровое видео на pc *, 435.46kb.
• Тройполимер и ведущими специалистами научно-исследовательских и проектных организаций, 1219.21kb.
• Тройполимер и ведущими специалистами научно-исследовательских и проектных организаций, 1207.58kb.
• Задание для студентов гр. Рс-91 по курсовому проектированию по дисциплине «Технология, 18.49kb.
• Реферат Интегральная, 452.33kb.
• Инструкция по монтажу рольставен Рассмотрение монтажа рольставен можно разбить на несколько, 125.17kb.
• Перечень предприятий и организаций, осуществляющих деятельность в области проектирования,, 1274.22kb.
• Лекции по кинорежиссуре Монтаж Лекция Андрея Тарковского о роли монтажа в кино, 1263.1kb.
• Тезисы доклада, 34.04kb.

В своем докладе я коснусь:

- особенностей печатных плат на металлическом основании, которые отражаются на процессах монтажа и сборки изделий,

- их отличий от традиционных печатных плат, основой которых служит стеклотекстолит,

- некоторых аспектах проектирования таких ПП с учетом этих особенностей и отличий,

- а также некоторых общих моментов проектирования плат с учетом требований монтажа и в частности автоматического монтажа поверхностных компонентов.

1. Общее и различия:
   

• Аналогичные материалы покрытия;
  

Печатные платы на металлическом основании обладают своими, отличными от традиционных печатных плат механическими, термальными и электрическими свойствами. Однако, такие материалы как фольга, формирующая топологию ПП и контактные площадки компонентов, финишные покрытия, паяльная маска те же, или аналогичны тем, что применяются при создании плат, скажем на FR4. Поэтому и материалы и технологии монтажа таких плат от обычных принципиально не отличаются.

(Слайд 2)

Что же является наиболее существенными отличиями таких плат, отражающимися на процессах монтажа, пайки и сборки?

• Большая физическая и термальная масса плат, влияющая на режимы пайки;
  

Наличие металлического основания приводит к увеличению и физической и термальной массы изделий, что естественно требует передачи большего количества тепла и таким образом отражается на режимах пайки.

Отступление про коробки

• Более толстый слой меди, обеспечивающий необходимую токовую нагрузку;
  

Аналогичное влияние оказывает и возрастание, как толщины медного слоя, так и толщины проводников. Одним из главных оснований применения подобных плат является необходимость повышенного теплоотвода, которое вызвано возросшими уровнями тока и мощности в некоторых участках схемы. Отсюда и повышение толщины медной фольги, повышение толщины проводников. В итоге для обеспечения качественной пайки требуется большая передача тепла на поверхность ПП.

• Менее жесткий слой диэлектрика;
  

Пайка - это термальный процесс, поэтому при рассмотрении материалов и технологий свою роль играет такой показатель как Температурный Коэффициент Линейного Расширения.

(Слайд 3)

На этой диаграмме наглядно показано увеличение длинны образцов материалов, применяемых при производстве плат на металлическом основании, в диапазоне температур от 0 до 100 град. И если у меди и стеклотекстолита эти коэффициенты очень близки, то у алюминия – пожалуй, наиболее популярного материала подложек плат с металлическим основанием – этот коэффициент значительно ниже.

Для компенсации этой разности слой диэлектрика, разделяющего алюминиевое основание и слой медной фольги, должен обладать своими, определенными термодинамическими свойствами, отличными от диэлектриков плат на стеклотекстолите, и благодаря этим свойствам они являются более гибкими и мягкими.

В начале применения этих материалов эта мягкость вызывала опасения за стабильность и прочность особо тонких проводников, но, как показала практика, это не стало проблемой в абсолютном большинстве применений.

При этом проявилась и положительная сторона такой гибкости диэлектрического слоя. Он уменьшил или вовсе свел на нет проблемы при пайке больших по площади или хрупких под воздействием температуры компонентов из-за разницы в ТКЛР платы и самих компонентов. Гибкость диэлектрика снижает возможность возникновения напряжений в местах пайки выводов компонентов из-за разности в деформациях платы и компонентов под воздействием температуры.

(Слайд 4)

Этот слайд демонстрирует какую роль может сыграть разница в ТКЛР материалов платы и компонентов… Комментарии по дефектам…

(Слайд 5) - возврат к слайду 2

• Односторонние платы не подходят для монтажа в отверстия;
  

Самым распространенным видом ПП на металлическом основании, вследствие области их применения, а так же цены, являются односторонние платы. При проектировании изделий необходимо учитывать, что наличие неизолированной металлической пластины делает подобные платы непригодными к монтажу выводных или штыревых компонентов, возможен только поверхностный монтаж. Соответственно необходимо проверять наличие всей компонентной базы в SMD исполнении.

• Повышенная механическая прочность;
  

Повышенная механическая прочность таких плат позволят использовать их в качестве конструктивных элементов изделий, повышающих прочность изделия в целом. А если платы объединены в групповые заготовки, это свойство облегчает монтаж таких плат на специализированном оборудовании, т.к. такие заготовки жестко фиксируются в рабочих зонах оборудования, не подвержены короблению или прогибам в процессе пайки.

• Сложности, возникающие при разделении плат и обработкой их контура.
  

Однако, данное свойство вызывает сложности именно при разделении групповых заготовок. При проектировании таких плат необходимо уделять достаточно внимания тому, как объединять платы в заготовки, кто и как будет производить в последствии их разделение. Эта проблема может вызывать как чисто технические затруднения, так и повышенные материальные затраты.


Далее рассмотрим некоторые из этих особенностей более подробно, а так же коснемся конструкции печатных плат на металлическом основании.

2. Различия в режимах пайки:
   

• Передача большего количества тепла;
  

Как уже говорилось, платы на металлическом основании имеют ряд своих особенностей, в данном случае в плане своих характеристик теплоемкости и теплопередачи, которые отражаются на процессе монтажа, а именно на процессе пайки.

Современные материалы, а именно паяльные пасты, а также технические особенности современного оборудования предоставляют нам ряд возможностей, которые позволяют выполнять качественную пайку с учетом этих особенностей.

Для обеспечения формирования качественных паяных соединений на платах с металлическим основанием необходима передача большего количества тепла, чем при пайке обычных плат, при соблюдении окна термопрофиля, заданного применяемой паяльной пастой и компонентами. Но при этом материалы и электронные компоненты те же, а иногда и более термочувствительные, как например некоторые светодиоды, поэтому простое повышение температуры пайки не всегда является приемлемым.

(Слайд 6)

• Два вида термопрофиля.
  

В современной практике производители паяльных паст предлагают использовать два типа термопрофиля.

Уже ставший привычным Ramp-Soak-Spike профиль, кода в процессе предварительного нагрева платы с компонентами и нанесенной паяльной пастой выдерживаются при определенной температуре – как правило в районе 150 – 175 град. после чего следует пиковая зона, в которой изделия прогреваются до максимальной температуры и частицы порошка припоя, нагреваясь свыше 183 град. – традиционной температуры плавления для свинцовых припоев, переходят в расплавленное состояние, образуя паяные соединения. После чего следует плавное охлаждение.

И профиль, который иногда называют «новым» или Ramp-to-Spike профиль, при котором на всем протяжении процесса, практически вплоть до пиковых температур происходит плавное повышение температуры, без ярко выраженной «полочки» в процессе предварительного нагрева. Оба профиля имеют свои преимущества, которые проявляются в зависимости как от применяемой пасты, так и от компонентов, печатных плат и т.д.

Для нас в данном случае важно, что современные материалы и в том и в другом случае имеют не жесткие рамки условий пайки а некоторое, причем довольно большое т.н. «окно процесса», что опять же, в зависимости от применяемых компонентов и материала плат, позволяет варьировать различными показателями режима пайки, дабы добиться максимально качественного результата с учетом особенностей компонентов и изделия в целом.

• Приминение соответствующего оборудования;
  

Какие преимущества дает нам оборудование. Современное оборудование, применяемое для групповой пайки плат, а именно конвейерные конвекционные печи для пайки оплавлением припоя, оборудовано нагревателями как сверху плат, перемещающихся по конвейеру, так и снизу. Причем не только в пиковых зонах – где происходит переход паяльной пасты из твердого состояния в расплавленное, но и во всех зонах предварительного нагрева. Важно, что температура верхних и нижних нагревателей в каждой зоне регулируется независимо друг от друга.

• Повышение температуры в нижних зонах печи;
  

Все это позволяет не превышая температуру сверху платы, не подвергая опасности компоненты и не перегревая паяльную пасту, поднять ее в нижних зонах нагрева, таким образом прогревая основание платы до температуры, при которой оплавление паяльной пасты будет проходить в требуемом режиме. Кроме того, регулируемая скорость перемещения конвейера позволяют добиться требуемого термопрофиля на поверхностности платы, не превышая критических для пасты и компоненты параметров температуры и времени пребывания в пиковых зонах.

• Повышение длительности процесса пайки и пиковая зона ;
  

При наличии термочувствительных компонентов, именно многозонность печи и возможность регулировать скорость конвейера позволяют производить качественную пайку, не перегревая такие компоненты, т.к. при большем общем времени процесса пайки, пиковые значения достигаются кратковременно, лишь в одной зоне. Наличие дополнительных зон охлаждения позволяет выдерживать скорость охлаждения не более 2-4-х град. в секунду, что так же позволяет избежать термального стресса для компонентов.

(Слайд 7) Сравнение термопрофилей

(Слайд 8) возвращение к слайду 6

• Двусторонние и бессвинцовые платы;
  

Повышение времени пайки становится одним из важнейших факторов при пайке плат на металлическом основании, финишное покрытие которых выполнено по бессвинцовой технологии, а так же двусторонних и многослойных плат, т.е. когда повышение температуры нижних зон нагрева недостаточно или невозможно, из-за наличия там компонентов. В случае двустороннего поверхностного монтажа, так же необходимо тщательно подходить к размещению компонентов – все термочувствительные и большие, тяжелые компоненты должны быть размещены на одной стороне платы, для того, что бы они проходили процесс оплавления только один раз. В том числе это касается светодиодов.

(Слайд 9,10) Реальные термопрофили

(Слайд 11) Важность термопрофилирования, специализированное оборудование.

3. Конструктив:
   

(Слайд 12) Размещение по сторонам


(Слайд 13)

• Расстояния между компонентами, расположение, термоемкие компоненты;
  

Применение плат на основе теплопроводных материалов существенно упрощает проектирование радиоэлектронных устройств, особенно высокомощных, поскольку отвод тепла перестает существенно зависеть от взаимного расположения элементов и свободной площади платы вокруг них - теплота рассеивается через подложку. Исчезает необходимость в дополнительных теплоотводах - радиаторах, шинах и т. п. В итоге возрастает степень интеграции элементов на плате, снижаются ее габариты.

Однако процесс пайки может оказаться более чувствителен к взаимному расположению элементов на плате. На данном слайде приведены общие рекомендации по минимальным расстояниям между компонентами. Хочу отметить, что эти расстояния обусловлены в первую очередь не предельными возможностями оборудования, а условиями, при которых будет обеспечиваться качественная пайка, тестовая, инспекционная и ремонтная пригодность изделия. Неоправданное, слишком плотное размещение компонентов может вызывать «затененность» компонентов при пайке, их неравномерный обдув потоками горячего воздуха в конвекционных печах, что приводит к эффектам «холодной пайки», «разводных мостов» и «надгробного камня». В некоторых установках Оптической Инспекции есть камеры установленные под углом 45 град., поэтому слишком близкое расположение компонентов может вызывать сложности для проведения полноценной оптической инспекции.

В отношении плат на металлическом основании хочется особо обратить внимание на размещение теплоемких компонентов, таких как ферритовые катушки, алюминиевые электролитические конденсаторы, микросхемы с металлическими деталями корпуса и т.д. В сочетании с теплоемким основанием платы, такие компоненты, отбирая на себя тепло могут создавать проблемы при пайке, вызывая эффект «холодной пайки» не только своих выводов но и контактных площадок соседних компонентов. Поэтому, по возможности надо стремиться располагать их как можно дальше друг от друга и других компонентов и как можно равномернее на плате и заготовке.

• Термобарьеры;
  

(Слайд 14)

Контактные площадки компонентов, находящиеся на полигонах следует отделять от них термобарьерами, соединяя несколькими отдельными проводниками, а не по всему периметру площадок. Так, как показано на данном слайде.

Так же при подсоединении площадок с проводником шире, чем сама площадка, соединять их следует не напрямую, а с помощью небольшого сегмента более тонкого проводника, ширина которого выбирается в зависимости от параметров тока, которые по нему проходят.

• Переходные отверстия;
  

(Слайд 16)


Если плата двусторонняя или многослойная и содержит переходные отверстия, то чтобы избежать перетекания припоя, произвольного смещения компонентов и других дефектов пайки, нельзя допускать расположения переходных отверстий на контактных площадках элементов или в непосредственной близости от них. Необходимо, чтобы контактные площадки компонентов были отделены от переходных отверстий, других контактных площадок и прочих элементов платы паяльной маской так, как показано на этом слайде.


(Слайд 17)

• Термопады;
  

(Слайд 18)


В случаях, когда на плате применяются компоненты с теплоотводящими площадками - термопадами, на соответствующих площадках на плате не только допустимо, но и желательно размещать отверстия. Они помогут дополнительному отводу тепла, а в сочетании со специальной формой апертур в трафарете под такие площадки равномерному распределению припоя под ними. А наличие металлического основания у платы не позволит припою протечь на обратную сторону платы.

• Маска
  

(Слайд 19)


Так же паяльной маской должны быть отделены друг от друга выводы микросхем. Подобное правило очень важно для микросхем с малым шагом выводов.

Соединения между соседними выводами микросхем должны выполняться не напрямую, за пределами монтажной зоны. «Прямое» соединение снижает качество паяного соединения, осложняет оптический контроль и ремонт изделий.

Кроме того незадействованные контактные площадки микросхем с выводами типа «крыло чайки» рекомендуется снабжать небольшим проводником, часть которого скрыта паяльной маской. Это поможет избежать повреждения или полного отслоения контактной площадки в случае ремонта, вызванного перегревом этих контактных площадок из-за наличия металлического основания.


(Слайд 20)

(Слайд 21)

4. Разделение заготовок:
   

• Сложность разделения;
  

(Слайд 22)


Когда речь идет о печатных платах, изготавливаемых на основе обычных материалов, таких как скажем текстолит, всегда рекомендуется объединять платы в мультизаготовки. Это действительно облегчает монтаж, повышает производительность и технологичность изделия на всех этапах его производства. Для последующего разделения платы на таких заготовках отделяются друг от друга линиями скрайбирования – т.е. надрезами вдоль контура, если этот контур прямоугольный, либо фрезеровкой по контуру плат с небольшими перемычками в нескольких местах на плате, если контур сложный или требуется повышенное качество его обработки.

(Слайд 23)

Для разделения плат в мультизаготовках в случае плат с металлическим основанием используются такие же методы. Но! Повышенная механическая прочность основания вызывает вполне понятные сложности при разделении таких заготовок. Те инструменты, которые используются для разделения обычных плат, оказываются малоэффективны или неприменимы, либо требуют очень дорогой оснастки. Так, для разделения заготовок плат на нашем предприятии обычно используется установка Maestro. Ее вполне возможно применять и для плат на алюминиевом основании, но при этом необходимо использовать дорогостоящие высокопрочные титановые диски , которые довольно быстро, приходят в негодность, а стоимость одной такой фрезы доходит до 800 долларов. Зачастую для эффективного разделения плат, безопасного для них и смонтированных компонентов, независимо от метода, использованного при их производстве, приходится создавать какие-то специальные приспособления, оснастки или что-то подобное из подручных материалов, а все это требует затрат времени, средств и др. ресурсов. Либо пользоваться подручными средствами, обычными инструментами, что занимает очень много времени и повышает риск повреждения платы или компонентов.

Наиболее качественный и простой, с точки зрения технологичности способ разделения групповых заготовок плат на металлическом основании является метод разделения лазером. Но данный способ оказывается слишком дорогим для многих на сегодняшний день. Стоимость одной линии разделения колеблется от 3-х до 5-ти рублей, а в некоторых случаях, обусловленных сложностью контура и толщиной металлического основания, доходить до 9-ти рублей. Иногда стоимость разделения групповой заготовки может превышать стоимость ее монтажа.

Поэтому при проектировании изделий и размещении заказов на такие платы необходимо учесть и внимательно проанализировать ситуацию с необходимостью мультиплицирования плат, выбором типа разделения плат на заготовке – скрайбирование или фрезеровка, - кто и как будет выполнять это разделение. Если этим будете заниматься вы, на своем производстве, то что для этого необходимо, есть ли необходимые инструменты, оснастка, персонал и т.д. Если этим будет заниматься предприятие, проводившее монтаж плат, то надо быть готовым к соответствующему повышению стоимости изделия.

• Необходимость объединения в мультизаготовки;
  

От объединения плат в групповые заготовки можно отказаться, если, например, объем заказа невелик – скажем, это опытная партия или штучные изделия и т.д. и платы заведомо будут проходить штучную, ручную сборку.

Если заказ достаточно объемный, может или должен монтироваться на автоматическом оборудовании но:

- габариты платы достаточно большие - более 70х80 мм;

- у платы прямоугольный контур;

- на платах достаточно большое количество элементов;

- расстояние от длинного края платы до ближайшего к нему элемента 5 мм и более,

платы так же можно не мультиплицировать.

В тех же случаях, когда платы небольшого размера, имеют сложный контур, который будет проблематично фиксировать на оборудовании сборочной линии или содержат элементы расположенные ближе 5-ти мм к краю платы, то для обеспечения массовой автоматической сборки потребуется объединение плат в групповые заготовки.

При заказе плат обязательно проконсультируйтесь по этому вопросу у специалистов нашего монтажного отдела или техбюро, для того чтобы подобрать оптимальные параметры заготовки вашего будущего изделия. Это позволит избежать неприятных неожиданностей с той стороны, откуда они вовсе не ожидались.


(Слайд 24)

• Скрайбирование;
  

(Слайд 25)

(Слайд 26)

• Фрезерование;
  

5. Общие правила:
   

• Контактные площадки;
  

(Слайд 27)

Форма и размеры контактных площадок компонентов плат на металлическом основании точно такие же, как и на обычных платах. Вообще, при создании любых компонентов, желательно сверяться с рекомендациями их производителей или стандартами. Например, стандарт IPC 7351, описывающий основные правила конструирования плат с применением СМД монтажа, а так же рекомендации по параметрам контактных площадок большинства стандартных типов СМД компонентов. Это поможет избежать многих проблем в процессе пайки изделий, таких как «сухая пайка», эффекты «надгробного камня» или «биллбоарда», смещение компонентов, перемычки на выводах микросхем и т.д., независимо от типа и материалов плат.

(Слайд 28)

• Технологические поля;
  

(Слайд 29)

Если Ваши изделия предполагается монтировать на автоматических линиях поверхностного монтажа, то для того, что бы избежать сложностей с разделением, которые были описаны выше, желательно вдоль длинной стороны плат предусмотреть свободное от компонентов пространство, шириной 5 мм, по обе стороны платы. В противном случае, для автоматического монтажа даже единичных плат, потребуется вводить технологические поля. Абсолютное большинство современного оборудования, в том числе применяемое на нашем производстве не требует базовых или каких-то других технологических отверстий.

• Реперные метки;
  

(Слайд 30)

Так же, как и для обычных плат, для автоматического монтажа плат на металлическом основании на каждой плате и/или заготовке необходимо наличие реперных меток. Эти метки представляют себой круглую металлизированную площадку диаметром 1 мм, вскрытую от маски в диаметре 3 мм или меньше и необходимы для выполнения коррекции оборудования – принтеров, установщиков, систем АОИ, - на положение ПП в рабочей зоне. В идеале если на каждой плате будет 3-4 таких метки, расположенных на максимальном удалении друг от друга, например по углам платы.

• Расположение реперов на плате и заготовке;
  

(Слайд 31)

Если топология платы не позволяет разместить реперные метки на каждой плате, их можно расположить на полях заготовки, что повлечет за собой увеличение размеров групповой заготовки.