https://bulletproof-hosting.net Конструкции выводов электронных сборок. М. п. романова сборка и монтаж интегральных микросхем. Конструирование модулей эс

Конструкции выводов электронных сборок. М. п. романова сборка и монтаж интегральных микросхем. Конструирование модулей эс

Структура технологического процесса сборки.

Операции сборки и монтажа являются наиболее важными в технологическом процессе изготовления элек­тронных блоков, поскольку они ока­зывают определяющее влияние на тех­нические характеристики изделий и отличаются высокой трудоемкостью (до 50-60 % общей трудоемкости из­готовления). При этом доля подготов­ки ИЭТ к монтажу составляет около

10 %, установки – более 20 %, пай­ки – 30 %. Автоматизация и механи­зация этих групп операций дает наи­больший эффект в снижении трудоем­кости изготовления изделий. Основ­ными путями повышения эффектив­ности являются: применение автома­тизированного оборудования, группо­вая обработка ИЭТ, внедрение новой элементной базы, например поверхностно-монтируемых элементов.

Технологический процесс автомати­зированной сборки состоит из подачи компонентов и деталей к месту уста­новки, ориентации выводов относи­тельно монтажных отверстий или кон­тактных площадок, фиксации элемен­тов на плате. В зависимости от харак­тера производства сборка может вы­полняться:

– вручную с индексацией и без индексации адреса;

– механизиро­ванно на пантографе;

– автоматизированно параллельно на автоукладчиках и последовательно на автоматах или автоматических линиях с управлением от ЭВМ.

Подача элементов к месту установ­ки при автоматизированной сборке происходит путем загрузки кассет с ИЭТ и платами в магазины и накопи­тели автомата, захвата ИЭТ устано­вочной головкой и позиционирова­ния. Как правило, загрузка кассет осуществляется вручную, и только в ГАП эта операция выполняется с по­мощью автоматических транспортных средств. Остальные операции на сбо­рочном автомате проводятся без уча­стия оператора. Платы со смонтиро­ванными ИЭТ снимаются с автомата вручную или автоматически и направ­ляются на полимеризацию клея.

Далее плата поступает на светомонтажный или обычный сборочный стол, где устанавливаются ИЭТ малой приме­няемости. После пайки, отмывки ос­татков флюса и исправления дефектов собранная плата проходит визуальный и функциональный контроль. Заклю­чительной операцией процесса сборки является нанесение влагозащитного покрытия.

Рис.5.1. Схема типового процесса сборки блоков на ПП.

Применение ручной сборки эконо­мически выгодно при изготовлении изделий не более 15-20 тыс. шт. в год партиями по 100 шт. При этом на ка­ждой плате может быть расположено не более 100 элементов, в том числе до 20 ИМС. Достоинствами ручной сборки являются: высокая гибкость при смене объектов производства, возможность постоянного визуального контроля, что позволяет своевременно обнаруживать дефекты плат или ком­понентов и устранять причины брака. Недостатки – невысокая производительность, значительная трудоем­кость технологического процесса, использование высококвалифици­рованного рабочего персонала.

При объемах выпуска изделий порядка 100-500 тыс. шт. в год с количеством расположенных на плате элементов до 500 экономи­чески целесообразно использо­вать механизированную сборку с пантографом. При этом высокая гибкость сочетается с большей, чем при ручной сборке, произво­дительностью. В условиях массо­вого выпуска однотипных изде­лий бытовой ЭА (0,5-5 млн. шт. в год) целесообразно использовать ав­томатизированное оборудование (авто­маты) или автоматические линии с управлением от ЭВМ.

Структура типового процесса сбор­ки блоков электронной аппаратуры на печатных платах приведена на рис. 5.1.

Подготовка ЭРЭ и ИМС к монтажу.

Подготовка навесных элементов к монтажу включает следующие опера­ции: распаковку элементов, входной контроль, контроль паяемости выво­дов, рихтовку, формовку, обрезку, лу­жение выводов, размещение элемен­тов в технологической таре.

Изготовитель ЭРЭ должен обеспе­чить сохранение паяемости в течение установленного срока. Однако на практике только в Японии с ее малы­ми расстояниями и высокой дисцип­линой поставок монтажу «с колес» подлежит не более 70% ЭРЭ, в нашей стране сроки поставки и хранения мо­гут перекрывать гарантийные.

С завода-изготовителя ЭРЭ посту­пают в разнообразной таре. Большая часть ее рассчитана на загрузочные уз­лы сборочных автоматов, однако часть элементов, в том числе ИМС, постав­ляется в индивидуальной таре-спутни­ке, изготавливаемой из антистатиче­ского термостойкого материала.

Для распаковки ИМС в корпусах типа 4 используются автоматы моде­лей 141-411 или АД-901 и АД-902, технические данные которых приведе­ны в табл. 5.1. Распаковка тары за­ключается в снятии с корпуса тонкой пластмассовой крышки путем ее по­перечного сжатия с помощью двух стержней, которые входят в контакт с краями крышки и, сближаясь друг с другом, изгибают ее и выводят из за­цепления с корпусом. Освобожденная крышка уносится в сборную емкость струей сжатого воздуха, а ИМС по на­правляющей соскальзывает в прием­ную кассету. Автомат 141-411 загружа­ет ИМС в этажерочные кассеты, а ав­томаты АД-901 и АД-902 – в прямо­точные.

Таблица 5.1. Характеристика автоматов распаковки ИМС.

Этажерочные и прямоточные кассе­ты используют для внутризаводского транспортирования ИМС с планарными выводами. В первых ИМС лежат перпендикулярно к продольной оси кассеты, каждая в своем отсеке, удер­живаясь выводами. Выдача ИМС осу­ществляется с помощью толкателя сборочного автомата. Во вторых ИМС лежат продольно оси, одна за другой. Кассеты устанавливаются на сбороч­ный автомат вертикально, и выгрузка ИМС происходит под действием силы тяжести и электромагнитного отсекателя механизма поштучной выдачи.

Резисторы и конденсаторы с осевы­ми выводами поставляют вклеенными в двухрядную липкую ленту на ткане­вой основе. Вклейку в ленту произво­дят на специальных автоматах с со­блюдением полярности элементов. Катушка диаметром 245-400 мм и шириной 70-90 мм содержит до 1-5 тыс. ЭРЭ. Во избежание сцепления соседних витков намотку ведут с межслойной прокладочной лентой из кабельной бумаги. С появлением «без­выводных» ИЭТ предложены ленточ­ные носители с внутренними гнезда­ми. Ширина носителя 8, 12 и 16 мм. Гнезда герметизируются полиэфирной пленкой предварительно нагретым инструментом.

Варианты формовки выводов ЭРЭ и установки на платы должны соответ­ствовать ОСТ 4010.030 – 81 (рис.5.2).

Рис 5.2. Варианты установки ИЭТ на платы

Вариант I применяется для установки элементов на односторонние платы при значительных механических на­грузках. При этом используется П-об­разная формовка выводов элементов. Вариант II применяют для ДПП и МПП. Ему соответствует «зиг»-формовка выводов. Для выводов диамет­ром до 0,5 мм R min = 0,5 мм, для выво­дов

0,5–1,1 мм R min = 1мм. Вариант III рекомендуется для плотной компо­новки элементов на плате, IV – для межплатной конструкции блока, V – для транзисторов при значительных механических нагрузках и сохранении при демонтаже, VI – для ИМС с планарными выводами. Для фиксации ЭРЭ на плате применяют образование «зига» на одном из выводов ЭРЭ при вариантах установки III и IV.

Установочный размер должен быть кратным шагу координатной сетки (2,5 мм или 1,25 мм) и обеспечиваться инструментом Предельные отклоне­ния размеров инструмента, отверстий по H 12, H 13, валов по h 12; радиусов гибки +0,3 мм, остальные по IT 14/2.

Усилие формовки-гибки планарных выводов рассчитывается по уравнению:

где k – коэффициент, определяющий состояние поверхностей пуансона

и матрицы (1,0 – 1,2);

b – ширина выво­да, мм;

δ – толщина вывода, мм;

σ b – предел прочности вывода, МПа;

Р пр – усилие прижима выводов, которое со­ставляет (0,25-0,3) Р;

Для варианта установки IIа «зиг»-формовка выводов осуществляется по схеме, приведенной на рис. 5.3.

Рис. 5.3. Схема для «зиг»-формовки выводов ра­диоэлементов:

а - гибка вывода б - образование «зига».

В по­дающих дисках 1 имеются канавки, в которые элементы подаются непод­вижными формообразующими 2. По­дающие диски получают непрерывное вращение. В диски встроены подпру­жиненные пуансоны 3, которые при набегании на рычаги приобретают поступательное движение и образуют «зиг» на выводах. Кулачок 4 выталки­вает элемент 5 из пазов диска в тару.

Размер «зига» С рассчитывается по формуле:

где d 0 , d – диаметры отверстия и вы­вода соответственно.

Механизация процесса подготовки выводов к монтажу осуществляется пу­тем применения технологических при­способлений, полуавтоматов и авто­матов, выбираемых в зависимости от конструкции ЭРЭ и типа производст­ва. Полуавтомат (рис.5.4), предназна­ченный для подготовки выводов ЭРЭ с осевыми проволочными выводами и цилиндрической

Рис. 5.4.Полуавтомат для подготовки радиоэле­ментов к лужению выводов.

формой корпуса, вы­полняет следующие операции:

– рихтов­ку выводов,

– контроль ЭРЭ по элек­трическим параметрам с разбраковкой «годен» – «не годен»,

– зачистку и под­резку выводов,

– укладку ЭРЭ в техно­логические кассеты.

Радиоэлементы 7 загружаются вручную в направляющие 2, по которым с помощью отсекателя 3 подаются в механизм рихтовки 4 по одной штуке, затем в зажимы 6 меха­низма контроля 5. Рихтовка выводов осуществляется с помощью подпружи­ненных пуансонов. Контроль и раз­браковка по электрическим парамет­рам производится прибором, подклю­ченным к зажимам 6. При наличии бракованного элемента прибор подает сигнал в механизм отсечки брака 7 и деталь сбрасывается с ротора. Качест­венные ЭРЭ поступают в механизм зачистки 8, где металлическими щет­ками удаляются различные загрязне­ния. Далее ЭРЭ подаются в механизм обрезки 9, после чего загружаются в технологическую кассету 10.

Рихтовку выводов в мелкосерийном производстве осуществляют либо вруч­ную с помощью пинцета и плоскогуб­цев, либо в приспособлении для рих­товки (одновременно

20 – 50 выводов ЭРЭ модели ГГ 1422-4101 с произво­дительностью 500 шт/ч). Для подготов­ки ЭРЭ и ИМС к сборке используют различное оборудование (табл. 5.2).

Таблица 5.2. Оборудование для подготовки ЭРЭ и ИМС.

Наименование, тип Тип ЭРЭ, ИМС Производительность, шт/ч Привод, мощность, Вт Габариты, мм
Полуавтомат подготовки резисторов и диодов, ГГ-2420 Установка рихтовки и обрезкивыводов транзисто-ров ГГ-2293 Автомат П-образной формов-ки выводов ЭРЭ, ГГ-1611 Автомат формовки выводов микросхем, ГГ-2629 Полуавтомат, АРСМ2.230.000 Полуавтомат, ГГ-2125 МЛТ-0,195; 0,25; 0,5; 1,0; 2Д503; 509. МП42, МП416, ГТ309 МЛТ-0,125, 0,25, 0,5 1-1МС 14-1404. 14-3 КМ варианты III, IV Корпус 301.12-1; 401.143 Электромеханиче-ский, 50 Электромагнит-ный, 80 Электромеханиче-ский, 180 Электромеханиче-ский, невматичес-кий,500 Электромеханический, пневмати-ческий, 800 Электромеханический, 180 600 ×500×800 295× 215× 275 330× 380 ×405 900×400×1500 2200× 1000 ×1500 335× 300 ×305

Лужение выводов может осуществ­ляться как до, так и после формовки пу­тем погружения в расплавленный при­пой. Для флюсового горячего лужения выводов ИМС (корпус 401.14-3) исполь­зуют автомат модели ГГ-2630. Произ­водительность автомата – 900 шт/ч, пределы регулирования температуры припоя 200-280 °С с точностью ±5 °С. Лужение выводов ЭРЭ групповым способом проводится на механизиро­ванной установке ГГМ2.339.002. Про­изводительность ее – 400 кассет/ч, время выдержки кассет во флюсе и припое – 1,5 -3 с.

Напрессовка припоя – один из спо­собов закрепления на выводах ИМС строго дозированного количества проволочного припоя путем его глубокой пластической деформации. Припой удерживается на выводах благодаря механическому заклиниванию выдав­ленных в пространство между сосед­ними выводами выступов. Обычно для выводов сечением 0,3×0,1 мм (корпус 401.14 и др.) используют про­волоку припоя диаметром 0,3-0,4 мм либо трубчатый припой с флюсовой сердцевиной диаметром 0,5 мм.

Размещение дискретных ЭРЭ в тех­нологической таре позволяет повы­сить производительность сборки и ме­ханизировать установку элементов на платы. В качестве тары используют также и липкую ленту, в которую вклеивают ЭРЭ преимущественно с осевыми выводами по программе. Вклейка осуществляется на установке ГГ-1740. В технологических кассетах ЭРЭ загружаются в накопители, отку­да по программе подаются на транс­портное устройство, двигаясь по кото­рому, попадают в зону вклейки. Про­изводительность автомата 2400 шт/ч, количество элементов в одной программе 2-12 шт., шаг вклейки S кра­тен 5 мм, ширина ленты 6 или 9 мм. Полярные ИЭТ вклеиваются в ленту в однозначно ориентированном поло­жении (рис. 5.5, а).

Рис. 5.5.Упаковка ИЭТ в однорядную ленту (а) и в кассету (б)

Элементы с однонаправленными выводами вклеиваются в однорядную перфорированную ленту шириной 18 мм. Шаг вклейки 15 мм, расстоя­ние между выводами 2,5 или 5 мм. Транзисторы типа КГ и ИМС постав­ляются в специальных прямоточных одноручьевых технологических кассе­тах (рис.5.5, б).

Технология монтажа на поверхность не нова, но в отечественной литературе она, к сожалению, освещена недостаточно полно. Предлагаемый ряд статей, посвященный этой тематике, поможет читателям более глубоко разобраться в особенностях технологий монтажа электронных модулей. В данной статье описан ряд конструкций типичных электронных модулей и особенности технологического процесса сборки каждого их типа.

Современные электронные компоненты

Тип монтажа модулей определяется в первую очередь количеством сторон, на которые осуществляется монтаж (одно- или двусторонний), и номенклатурой используемых компонентов. Поэтому описание типов монтажа логично предварить кратким обзором компонентов и корпусов. Основным, наиболее важным для технолога критерием разделения электронных компонентов на группы является метод их монтирования на плату - в отверстия или на поверхность. Именно он в основном и определяет технологические процессы, которые необходимо использовать при монтаже.

В таблице приведена информация по наиболее распространенным корпусам компонентов: названия, изображения, габариты, шаг выводов. Все размеры, за исключением особо оговоренных, приведены в милах (1 mil = 0,0254 мм).

Рис. 1. ТНТ-компоненты
Рис. 2. SMD-компоненты

Таблица

Компоненты, монтируемые в отверстия
Группа Типы корпусов в группе Габариты корпусов Шаг выводов Рис.
С одним рядом выводов - SIL TO-92TO-202, TO-220 и др. 380x190, 1120x135,420x185… 100 мил Рис. 1, а
С двумя рядами выводов - DIL MDIP, CerDIP 250x381…577x2050 100 мил Рис. 1, б
С радиальными выводами TO-3, TO-5, TO-18 - - Рис. 1, в
С осевыми выводами - - Рис. 1, г
Решетки - Grid CPGA, PPGA 286x286…2180x2180 мил 20…100 мил Рис. 1, д
Компоненты, монтируемые на поверхность
С двумя рядами выводов - DIL «SOT-23, SSOP, TSOP, SOIC» 55x120…724x315 мил 25…30 мил Рис. 2, а-б
С выводами по сторонам квадратного корпуса - Quad Package LCC, CQJB, CQFP, CerQuad, PLCC, PQFP 350х350 мил …20x20 мм 50 мил…0,5 мм Рис. 2, в
Решетки - Grid BGA, uBGA - 0,75 мм (uBGA) Рис. 3, а-б

Наиболее интересны с практической точки зрения, по мнению автора, корпуса BGA, а точнее mBGA, которые имеют 672 вывода с шагом 0,75 мм. Верхняя часть корпуса BGA не представляет особого интереса, более примечательными являются его нижняя часть и внутреннее устройство этой упаковки компонентов. На рис. 3, а изображена нижняя поверхность корпуса BGA, на которой видны шариковые выводы, а на рис. 3, б - вид этого корпуса в разрезе.

Рис. 3. Корпус BGA

Приведенный выше краткий обзор современных компонентов дает представление о том, насколько велико число возможных вариантов реализации монтажа модулей при различном расположении их на плате. Кроме того, в обзоре не была представлена еще одна группа - группа нестандартных компонентов (odd form components).

Виды монтажа можно разделять по различным параметрам: по количеству используемых для монтажа сторон платы (одно- или двусторонний), по типам используемых компонентов (поверхностный, выводной или смешанный), по их расположению на двустороннем модуле (смешанно-разнесенный или смешанный). Рассмотрим наиболее распространенные из них, а также последовательность технологических операций для каждого вида монтажа.

Виды монтажа

Поверхностный монтаж

Поверхностный монтаж на плате может быть односторонним и двусторонним. Число технологических операций при этом виде монтажа минимально.

При одностороннем монтаже (рис. 4, а) на диэлектрическое основание платы наносят припойную пасту методом трафаретной печати. Количество припоя, наносимое на плату, должно обеспечивать требуемые электрофизические характеристики коммутируемых элементов, что требует соответствующего контроля. После позиционирования и фиксации компонентов выполняют операцию пайки путем оплавления дозированного припоя. В завершение технологического цикла производится контроль паяных соединений, а также функциональный и внутрисхемный контроль. На рис. 4, а изображены поверхностно-монтируемые компоненты различных видов: относительно сложно монтируемые компоненты в корпусах PLCC и SOIC и легко монтируемые чип-компоненты.

Рис. 4. а,б

Для двустороннего поверхностного монтажа (рис. 4, б) возможны различные варианты реализации. Один из них предполагает начало технологического процесса с операции нанесения паяльной пасты на нижнюю сторону платы. Затем в местах установки компонентов наносят расчетную дозу клея и производят установку компонентов. После этого в печи клей полимеризуется и происходит оплавление пасты припоя. Плата переворачивается, наносится паста припоя и устанавливаются компоненты на верхнюю сторону платы, после чего верхняя сторона оплавляется. В этом случае для пайки компонентов используются печи с односторонним нагревом.

При другом варианте реализации двустороннего поверхностного монтажа используются печи с двусторонним нагревом.

Интересен вопрос о необходимости нанесения клея на плату. Эту операцию выполняют с целью предотвращения отделения компонентов от платы при ее переворачивании. Существующие расчеты показывают, что большинство компонентов не упадут с платы даже при ее переворачивании, поскольку будут держаться за счет сил поверхностного натяжения припойной пасты. По этой причине операцию нанесения клея нельзя отнести к обязательным.

Смешанно-разнесенный монтаж

При смешанно-разнесенном монтаже компоненты, устанавливаемые в отверстия (THT-компоненты), располагаются на верхней стороне платы, а компоненты для поверхностного монтажа - на нижней. В этом случае обязательной является операция пайки двойной волной припоя. Смешанно-разнесенный монтаж компонентов показан на рис. 5.

Рис. 5. Смешанно-разнесенный монтаж

Реализация такого вида монтажа предполагает следующую последовательность операций: на поверхность платы наносится дозатором клей, на который устанавливаются SMD-компоненты, клей полимеризуется в печи, после чего производится установка компонентов в отверстия, промывка модуля и выполняются операции контроля.

Возможен альтернативный вариант, при котором сборку начинают с установки компонентов в отверстия платы, после чего размещают поверхностно-монтируемые компоненты. Он применяется тогда, когда формовка и вырубка выводов обычных компонентов осуществляется при помощи специальных приспособлений заранее, иначе компоненты, монтируемые на поверхность, будут затруднять обрезку выводов, проходящих через отверстия платы. Компоненты для поверхностного монтажа при повышенной плотности их размещения целесообразно монтировать в первую очередь, что требует минимального количества переворотов платы в процессе изготовления изделия.

Смешанный монтаж

Примером смешанного монтажа является установка на верхней стороне платы и SMD-, и ТНТ-компонентов (монтируемых в отверстия), а на нижней стороне - только SMD-компонентов. Это самая сложная разновидность монтажа (рис. 6).

Рис. 6. Смешанный монтаж

Возможны различные варианты ее реализации. При одном из них сначала на нижнюю сторону печатной платы методом дозирования наносят клей, а на нанесенный клей устанавливают SMD-компоненты. После проведения контроля установки компонентов проводят отвердение клея в печи. На верхнюю сторону платы наносится паяльная паста, а на нее затем устанавливаются SMD-компоненты. Нанесение паяльной пасты возможно как методом трафаретной печати, так и методом дозирования. В последнем случае операции нанесения клея и паяльной пасты можно проводить на одном оборудовании, что сокращает затраты. Однако нанесение паяльных паст методом дозирования непригодно при промышленном производстве из-за низкой скорости и стабильности процесса по сравнению с трафаретной печатью и оправдано только в условиях отсутствия трафарета на изделие или нецелесообразности его изготовления. Такая ситуация может сложиться, например, при опытном производстве большой номенклатуры электронных модулей, когда из-за большого числа обрабатываемых конструктивов и малых серий затраты на изготовление трафаретов значительны.

После установки SMD-компонентов на верхнюю сторону платы производится их групповая пайка методом оплавления припойной пасты, нанесенной на трафаретном принтере, или методом дозирования. После этой операции технологический цикл, связанный с установкой поверхностно монтируемых компонентов, считается завершенным.

Далее, после ручной установки компонентов в отверстия платы производится совместная пайка всех SMD-компонентов, ранее удерживавшихся на нижней стороне платы при помощи отвержденного адгезива и уже установленных выводных компонентов.

В конце технологического цикла выполняют операции визуальной инспекции пайки и контроля.

При другом варианте реализации смешанного монтажа предполагается иная последовательность выполнения операций. Первым этапом является нанесение припойной пасты через трафарет, установка на верхней стороне платы сложных компонентов для поверхностного монтажа (SO, PLCC, BGA) и пайка расплавлением дозированного припоя. Затем, после установки компонентов в отверстия платы (с соответствующей обрезкой и фиксацией выводов), плата переворачивается, на нее наносится адгезив и устанавливаются компоненты простых форм для поверхностного монтажа (чип-компоненты, компоненты в корпусе SOT). Они и выводы компонентов, установленных в отверстия, одновременно пропаиваются двойной волной припоя. Возможно также использование в составе одной линии оборудования, обеспечивающего эффективную пайку компонентов (с верхней стороны платы) расплавлением дозированного припоя и пайку (с нижней стороны платы) волной припоя.

Необходимо отметить, что в технологическом процессе, реализующем смешанный монтаж, возрастает количество контрольных операций из-за сложности сборки при наличии компонентов на обеих сторонах платы. Неизбежно возрастают также количество паяных соединений и трудность обеспечения их качества.

Односторонний выводной и поверхностный монтаж

Такая технология носит в мировой практике название технологии оплавления припойных паст (reflow) и является одной из стандартных в технологии монтажа на поверхность (рис. 7).

Рис. 7. Односторонний монтаж SMD и ТНТ

Сборка модулей такого типа осуществляется следующим образом: на поверхность платы наносится припойная паста, на которую устанавливают SMD-компоненты; затем паста оплавляется в печи, устанавливаются THT-компоненты, проводится пайка волной припоя, после чего осуществляют промывку и контроль собранного модуля.

Односторонний выводной монтаж

Технология сборки таких печатных плат (рис. 8) является стандартным сборочно-монтажным циклом с применением пайки волной припоя. Этот цикл состоит из операций установки выводных компонентов, их пайки на установке пайки волной и контрольных операций. Установка компонентов может быть как ручной, так и полуавтоматической. Выбор оборудования определяется требуемой производительностью. Автоматизация такого типа монтажа является минимальной, а сама реализация - предельно простой.

Рис. 8. Односсторонний монтаж ТНТ

Данная публикация является первой статьей из цикла, посвященного поверхностному монтажу. Логичным ее продолжением станет освещение вопроса состава производственной линии, на которой реализуется этот вид монтажа: необходимость каждого вида оборудования, его технические характеристики и роль в технологическом процессе, требуемый состав персонала и его квалификация, а также другие вопросы, возникающие при создании сборочно-монтажного производства.

Литература

  1. Schmits J., Heiser G., Kukovski J. Взгляд в будущее. Технологические тенденции развития электронных компонентов и сборки электронных модулей на печатных платах. Перевод и адаптация А. Калмыкова. Компоненты и технологии, № 4, 2001.
  2. www.pcbfab.ru.
Автор выражает благодарность Р. Тахаутдинову за помощь в подготовке иллюстраций.

При производстве радиоэлектронной аппаратуры на базе мик­роэлектроники к выполнению соединений микроэлементов внут­ри микросхем, а также к монтажу микросхем в узлы и блоки предъявляются специфические требования.

Методы монтажа, пайки и сварки, используемые при производ­стве микросхем, отличаются от методов, используемых при произ­водстве функциональных узлов и микромодулей. Это обусловлено тем, что большинство полупроводниковых материалов и диэлектри­ческих подложек из керамики и стекла обладают низкой теплопро­водностью, узкой зоной пластичности и малой сопротивляемостью к воздействию термических и механических напряжений.

Полупроводниковые интегральные микросхемы в отличие от тонкопленочных имеют на порядок более высокую разрешающую способность рисунка, позволяющую увеличить плотность разме­щения микроэлементов (т. е. повысить степень интеграции). По срав­нению с толстопленочными интегральными микросхемами сте­пень интеграции повышается больше чем в сто раз.

Внутренний монтаж любых микросхем включает в себя техно­логические операции по установке и закреплению одной или не­скольких микросхем в корпусе и выполнению внутримикросхем-ных соединений. Для сборки и монтажа микросхем применяют различные установки. Так, для сборки кристаллов полупроводни­ковых интегральных микросхем размером от 0,6 х 0,6 до 1,8 х 1,8 мм используется установка ЭМ-438А, а для монтажа нескольких кри­сталлов в один корпус - установка ЭМ-445. Крепление кристалла микросхемы осуществляется методом пайки или приклейкой.

Внутримикросхемные соединения между напыленными на кри­сталлы контактными площадками микросхемы и выводами ее корпуса выполняют с помощью проволочных перемычек, в каче­стве которых используются медные, алюминиевые и золотые мик­ропровода толщиной от 8 до 60 мкм.

В зависимости от сочетания применяемых материалов и конст­рукции выводов при сборке микросхем для соединения использу­ется микросварка (термокомпрессионная, ультразвуковая, кон­тактная, электронно-лучевая, лазерная) или микропайка.

Наиболее широкое применение получили термокомпрессион­ная и ультразвуковая микросварка и микропайка.

Термокомпрессионная микросварка заключается в одновремен­ном воздействии на свариваемые металлы давления и повышен­ной температуры. Соединяемые металлы разогреваются до опре­деленной температуры (начала рекристаллизации), при которой начинается сцепление (диффузия) очищенных от окислов по­верхностей металлов при приложении даже небольшой нагрузки. Этот способ позволяет присоединять электрические выводы тол­щиной не более нескольких десятков микрон к контактным пло­щадкам кристаллов, размеры которых не превышают 20...50 мкм. В процессе соединения микропровод из алюминия или золота прикладывают к кристаллу полупроводника и прижимают на­гретым стержнем.

Основными параметрами, определяющими режим термокомп­рессионной микросварки, являются удельное давление, темпера­тура нагрева и время сварки.

При термокомпрессионной микросварке необходим тщатель­ный контроль этих параметров.

Область применения термокомпрессионной микросварки очень широка. Она является основным методом присоединения выводов к полупроводниковым кристаллам, используется также для при­соединения проволочных микропроводников к напыленным кон­тактным площадкам микросхем, для монтажа БИС и микросбо­рок. С помощью термокомпрессионной микросварки осуществля­ется групповая сварка микросхем с планарными выводами, а так­же прецизионная микросварка элементов с минимальной толщи­ной проводников (до 5 мкм).

Ультразвуковая микросварка позволяет получить надежное со­единение металлов с окисными поверхностями кристаллов при минимальном тепловом воздействии на структуру чувствительных к нагреву элементов микросхем. Этот вид микросварки применя­ется для соединения металлов, имеющих различные электро- и теплопроводность, а также для соединения металлов с керамикой и стеклом.

Отечественной промышленностью выпускаются ультразвуковые установки для присоединения микропровода или микроленты (ди­аметром до 60 мкм) из алюминия и золота к кристаллам полупро­водниковых микросхем, для осуществления внутрикорпусного мон­тажа микросхем, а также для сборки БИС и микросборок.

Оборудование для монтажа полупроводниковых приборов и микросхем методом ультразвуковой микросварки состоит из уль­тразвуковой сварочной установки, принцип действия которой ос­нован на возбуждении преобразователем механических колебаний ультразвуковой частоты в месте свариваемых деталей, и устрой­ства для фиксации микросхемы.

В качестве преобразователей электрической энергии в механи­ческие колебания используются магнитострикционные и пьезоэ­лектрические устройства.

При ультразвуковой сварке неразъемное соединение металлов образуется в результате совместного воздействия на детали меха­нических колебаний с частотой 15...60 кГц, относительно неболь­ших сдавливающих усилий и теплового эффекта, сопровождаю­щего сварку. В результате в сварной зоне появляется небольшая пластическая деформация, которая обеспечивает надежное соеди­нение деталей.

В последние годы для монтажа микросхем широко применяет­ся комбинированный способ, основанный на термокомпрессии с косвенным импульсным нагревом и наложением ультразвуковых колебаний.

Микропайка может осуществляться мягкими и твердыми при­поями. Основными достоинствами микропайки являются ее отно­сительная простота и возможность соединения деталей сложной конфигурации, что трудно выполнить при микросварке.

К мягким припоям относятся сплавы олова и свинца, индия и галлия, олова и висмута, обладающие низкой температурой плав­ления (обычно 140...210 °С). Эти припои наиболее часто приме­няются при пайке в интегральных микросхемах.

При микропайке микросхем мягкими припоями соединяемые металлы должны быть металлургически и химически совместимыми, не должны образовывать сплавов с большим сопротивлением и ин­терметаллических хрупких соединений в месте контакта; припои дол­жны быть инертными при рабочей температуре схемы и полностью удаляться с места соединения и с окружающей его поверхности.

К твердым (высокотемпературным) припоям относятся сплавы на основе серебра ПСр45 и ПСр50, имеющие температуру плав­ления до 450... 600 °С. Эти припои используются для герметизации корпусов микросхем, для соединения серебряных или посереб­ренных деталей (так как припои на основе олова - свинца ра­створяют значительное количество серебра, изменяя характерис­тики контакта) и др.

В настоящее время разработаны высокотехнологичные спосо­бы микропайки. Одним из таких способов является микропайка в атмосфере горячего (до 400 °С) инертного газа или водорода, при которой предварительно облуженный участок обдувается из ми­ниатюрных сопл горячей струей газа. Этот способ обеспечивает высокую производительность, кроме того, позволяет исключить применение флюса.

Процесс пайки упрощается при использовании дозированного припоя в виде таблеток или пасты, который предварительно на­носится на места соединений. Этот способ обеспечивает точ­ный контроль количества тепла в месте сварки, а при использова­нии средств автоматики позволяет регулировать время протека­ния тока и его величину.

Для механизированной микропайки характерны шаговые пе­ремещения паяльного инструмента, обычно осуществляемые по программе, и прижим инструментом паянного соединения во вре­мя пайки. Автоматизация процессов пайки при соединении ин­тегральных микросхем с монтажной платой наряду с повышени­ем производительности труда обеспечивает повышение качества соединений.

Вверх