close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

balashov

код для вставкиСкачать
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
САНКТ,ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
В. М. Балашов, М. А. Добросельский
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
ПРОИЗВОДСТВА ПРИ УПРАВЛЕНИИ
КАЧЕСТВОМ ПРОДУКЦИИ
Учебное пособие
Допущено УМО по образованию в области прикладной
математики и управления качеством в качестве учебного
пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся
по специальности 220501 – Управление качеством
Санкт,Петербург
2007
УДК 658.562.012
ББК 30.607
Б20
Рецензенты:
кафедра микрорадиоэлектроники и технологии радиоаппаратуры
Санкт,Петербургского государственного электротехнического
университета (ЛЭТИ);
доктор технических наук, профессор Ю. З. Бубнов
Б20
Балашов В. М., Добросельский М. А.
Современные технологии производства при управлении каче,
ством продукции: учебное пособие / В. М. Балашов, М. А. Добро,
сельский; ГУАП. – СПб., 2007. – 96 с.: ил.
ISBN 5,8088,0217,2
В учебном пособии излагается совокупность способов и технологи,
ческих процессов электромонтажа, применяемых в современных про,
изводствах радиоэлектронных средств и вычислительной техники с
целью повышения качества производимой продукции. Рассмотрены
типовые технологии создания неразъемных и разъемных электричес,
ких соединений. Выделены и проанализированы физико,химические
основы техпроцессов, основные виды дефектов, возникающих при со,
здании соединений. Приведены примеры нового высокоэффективного
технологического оборудования ведущих мировых фирм,изготовите,
лей. Отдельный раздел посвящен описанию современных методов обес,
печения качества проектирования и изготовления изделий РЭС.
Может быть полезно специалистам, занимающимся вопросами изу,
чения, внедрения и совершенствования современных электромонтаж,
ных технологий, а также для подготовки инженеров по управлению
качеством, конструированию и технологии РЭС.
УДК 658.562.012
ББК 30.607
ISBN 5,8088,0217,2
© ГУАП, 2007
© В. М. Балашов,
М. А. Добросельский, 2007
2
Содержание
Предисловие ............................................................................
1. Задачи и виды работ по контактированию при производстве
электронных узлов систем управления ....................................
1.1. Технологии сборочно,монтажных процессов в приборо,
строении ........................................................................
1.2. Классификация электрических соединений в узлах систем
управления и краткая характеристика способов их выпол,
нения .............................................................................
1.3. Виды корпусов электронных компонентов в узлах радио,
электронных систем управления ......................................
2. Физико,химические основы и современные технологии созда,
ния электрических соединений и монтажа электронных узлов ...
2.1. Технологии создания электрических соединений сваркой ...
2.2. Технологии создания электрических соединений пайкой ....
2.3. Технологии создания электрических соединений механи,
ческим путем .................................................................
2.4. Разъемные электрические соединения узлов систем управ,
ления .............................................................................
3. Современное высокоэффективное оборудование монтажа элек,
тронных узлов .......................................................................
3.1. Оборудование для установки электронных компонентов .......
3.2. Оборудование для нанесения припойных материалов ..........
3.3. Оборудование для групповых способов контактирования .......
3.4. Оборудование для отмывки смонтированных узлов ...............
4. Основы современной методологии создания систем обеспечения
качества сложных радиоэлектронных систем управления ...........
4.1. Основные понятия ............................................................
4.2. Построение плановой матрицы качества .............................
Заключение ..............................................................................
Библиографический список ........................................................
4
5
5
6
7
15
15
21
61
65
70
70
71
73
73
76
76
77
94
95
3
ПРЕДИСЛОВИЕ
Вопросы повышения качества и надежности современных средств ра,
диоэлектроники и вычислительной техники являются сегодня одной из
актуальнейших проблем. Над решением этих задач непрестанно трудятся
коллективы конструкторов, технологов, специалистов по управлению ка,
чеством. Для определения перспективных путей повышения качества этим
специалистам необходимо знать как современные высокоэффективные
технологии производства, так и новейшие методы обеспечения качества
проектирования и изготовления изделий РЭС.
По статистическим результатам экспериментальных исследований 50–
80% отказов радиоэлектронной аппаратуры происходит из,за некачествен,
ных электрических соединений [1]. Качество электрических соединений
определяется множеством факторов, но в любом случае необходимо обес,
печить: надежность и долговечность соединений; минимальное переход,
ное сопротивление; максимальную механическую прочность; минималь,
ные значения основных параметров процесса контактирования (темпера,
туры, времени выдержки, давления); возможность соединения сочетаний
различных материалов и типоразмеров; стойкость и стабильность свойств
при различных видах испытаний; отсутствие деградации (ухудшения
свойств во времени) соединений; проведение контроля простыми и надеж,
ными методами; экономическую эффективность и необходимую произво,
дительность.
Важнейшая задача в области создания электрических соединений – необ,
ходимость контактирования активных элементов электрических схем (ин,
тегральных микросхем, дискретных электрорадиоэлементов – диодов, тран,
зисторов, резисторов и т.п.) с проводниками, обеспечивающими передачу
электрических сигналов между этими элементами. Наибольшее распрос,
транение на сегодняшний день получили модули с реализацией электри,
ческой схемы (или ее части) путем монтажа элементов на так называемых
монтажно,коммутационных основаниях (МКО), в качестве которых обыч,
но выступают печатные платы. Основа печатных плат изготовливается из
диэлектрических (токонепроводящих) материалов. Для реализации элек,
трической схемы на печатной плате выполняется рисунок из токопроводя,
щего материала (медного сплава), представляющий собой проводники,
соединяющие элементы схемы и посадочные места для этих элементов.
Проблема обеспечения качественного монтажа элементов схем на свои
«посадочные» места на сегодня – одна из важнейших задач в технологии
производства изделий радиоэлектронной аппаратуры и вычислительной
техники (РЭА и ВТ).
4
1. ЗАДАЧИ И ВИДЫ РАБОТ ПО КОНТАКТИРОВАНИЮ
ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ЭЛЕКТРОННЫХ УЗЛОВ
СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
1.1. Технологии сборочно*монтажных процессов
в приборостроении
Сборочно,монтажные работы в радиоэлектронике и приборостро,
ении представляют собой совокупность технологических операций
соединения несущих конструкций, деталей, электронных компонен,
тов в изделии или его части, выполняемых в определенной последо,
вательности для обеспечения заданного расположения и взаимодей,
ствия. Выбор последовательности операций зависит от конструкции
изделия или его части и организации технологического процесса.
Суть сборки состоит в создании механических соединений деталей
и узлов между собой или с несущими конструкциями. Сборочные со,
единения бывают подвижными, если сопрягаемые детали перемеща,
ются относительно друг друга, или неподвижными, если взаимное
положение деталей остается неизменным. В свою очередь, эти соеди,
нения разделяются на разъемные и неразъемные.
Монтажом называются технологические процессы электричес,
кого соединения компонентов изделия в соответствии с принципи,
альной электрической или электромонтажной схемой. Монтаж про,
изводится с помощью печатных, проводных, гибких плат, одиноч,
ных проводников, жгутов и кабелей.
Таким образом, основу сборочно,монтажных работ при производ,
стве РЭА и ВТ составляют процессы создания электрических и меха,
нических соединений в изделии. В соответствии с последовательнос,
тью технологических операций процессы сборки и монтажа делятся
на сборку (монтаж) отдельных сборочных единиц (узлов, блоков,
панелей, стоек) и общую сборку (монтаж) изделий. Сборка путем со,
здания механических соединений широко распространена во всех
отраслях промышленного производства и довольно полно освещена
в технической и учебной литературе, поэтому в рамках данного посо,
бия основное внимание уделено методам осуществления электричес,
ких соединений между элементами схем радиоэлектронных устройств
на печатных платах (ПП).
Выработанная в 1980,х гг. рядом зарубежных фирм США, Япо,
нии, стран Западной Европы (с 1985 г. – в СССР) концепция техно,
логии монтажа электронных компонентов на поверхность печатных
плат (монтажно,коммутационных оснований), сформировалась в
настоящее время в новое научно,техническое направление, назван,
5
ное технологией поверхностного монтажа (ТПМ) – Surface Mount
Technology (SMT). Монтаж компонентов на поверхность обладает
рядом преимуществ по сравнению с методом монтажа в сквозные от,
верстия в платах. Например, уменьшение габаритов компонентов и
устранение сквозных отверстий в ПП позволяют в 3,4 раза увели,
чить плотность монтажа на платах. Уменьшение размеров плат и
числа слоев в них позволяют также снизить затраты. Монтаж на по,
верхность дает еще одно преимущество – улучшение характеристик
электронных модулей. Сочетание пассивных микрокомпонентов и снаб,
женных выводами миниатюрных активных компонентов позволяет
уменьшить длину соединений и радикально снизить величину паразит,
ной емкости и индуктивности монтажа, что обеспечивает функциони,
рование быстродействующих интегральных микросхем (ИС).
1.2. Классификация электрических соединений в узлах систем
управления и краткая характеристика способов их выполнения
По результатам эксперементальных исследований 50–80% отка,
зов аппаратуры происходит из,за некачественных электрических со,
единений [1]. Качество таких соединений определяется множеством
факторов, но в любом случае необходимо обеспечить: надежность и
долговечность соединений; минимальное переходное сопротивление;
максимальную механическую прочность; минимальные значения
основных параметров процесса контактирования (температуры, вре,
мени выдержки, давления); возможность соединения сочетаний раз,
личных материалов и типоразмеров; стойкость и стабильность
свойств при различных видах испытаний; отсутствие деградации
(ухудшения свойств во времени) соединений; проведение контроля
простыми и надежными методами; экономическую эффективность и
необходимую производительность.
Все электрические соединения можно разделить на разъемные и
неразъемные. К первым относятся различного рода разъемы, клемм,
ные колодки, прочая соединительная электроарматура. Подавляю,
щее большинство дискретных и интегральных элементов схем кон,
тактируются путем создания неразъемных соединений.
Основные способы выполнения электрических соединений (контак,
тирования), применяемые при производстве РЭА, приведены на рис. 1.1.
Пайкой называется процесс создания неразъемных соединений
материалов в твердом состоянии путем введения в зазор между мате,
риалами расплавленного припоя, взаимодействующего с основными
материалами и образующего жидкую прослойку, кристаллизация
которой при последующем остывании приводит к образованию пая,
ного шва.
6
1234356 762389
9 8
4
43
9
9
1
1
41
32
1
96
2
87
65
3
17
96
4
5
1
2
96
2
6
9
4
96
2
6
2
6
5
62
1
6
12
896
43
9
9
332373
323
Рис. 1.1. Классификация способов выполнения электрических соединений
Сварка – процесс получения неразъемного соединения материа,
лов путем расплавления этих материалов и последующей кристал,
лизации под действием активирующей энергии теплового поля, де,
формации, ультразвуковых колебаний или их сочетаний.
Механическим путем производятся электрические соединения
деталей, проводов, выводов в холодном состоянии. При этом исполь,
зуются упругие и пластические свойства материалов. Типичными
представителями таких соединений являются соединения обжимкой
и накруткой.
Из специальных методов наиболее часто встречается соединение
токопроводящими клеями.
Наибольшее распространение из приведенных способов при мон,
таже электронных компонентов на печатные платы получила пайка
низкотемпературными припоями.
Основной вопрос успешного перехода к технологии поверхност,
ного монтажа заключается в выборе способа контактирования. Вы,
бор конкретного способа зависит от конструктивных особенностей
монтажных плат и применяемых дискретных электрорадиоэлемен,
тов (ЭРЭ), интегральных схем, а также от объема производства аппа,
ратуры, требуемой производительности процесса создания электри,
ческих соединений, их прочностных характеристик.
1.3. Виды корпусов электронных компонентов
в узлах радиоэлектронных систем управления
В настоящее время дискретные (пассивные) ЭРЭ и микросхемы для
радиотехнических систем и средств вычислительной техники выпуска,
ются в корпусах четырех основных конструктивных вариантов:
– корпуса со штыревыми выводами (рис. 1.2, 1.3);
– корпуса с двух, и четырехсторонним расположением планарных
выводов;
7
a)
б)
Рис. 1.2. Примеры дискретных ЭРЭ со штыревыми выводами: а – проволочные выводы; б – штампованные выводы
14 2K2>4>2
8,25 max
17,02 ± 0,25
4,7 max
16 2K2>4>2
3 ± 0,4
19,56 ± 0,25
A
07>20O ?;>A:>ABL
(03 2K2>4>2 4;O 2A5E
B8?>2KE :>@?CA>2
A>AB02;O5B
2,5 ± 0,05 <<
1,27 ± 0,13
6,48 max
0,26 ± 0,03
0,48 ± 0,08
16
9
1
8
Рис. 1.3. Пример корпуса типа DIP
Рис. 1.4. Пример монтажа на печатную плату компонента со штыревыми выводами
8
– безвыводные корпуса;
– корпуса с матричным расположением выводов.
Первый вариант монтируется в отверстия печатных плат (рис. 1.4),
второй и третий – на поверхность ПП. Корпуса четвертого варианта
выпускаются в основном для монтажа на поверхность.
В настоящее время в мировой радиопромышленности имеется бо,
лее 30000 типономиналов электронных компонентов, пригодных
для монтажа на поверхность. По оценкам экспертов каждый месяц
появляется около десятка новых.
Большинство американских и западноевропейских изготовителей
выпускают корпуса компонентов в соответствии со стандартом
JC 11.3 Объединенного технического комитета по электронным при,
борам (JEDEC, USA). Стандарт JEDEC предлагает следующую клас,
сификацию основных видов корпусов электронных компонентов для
поверхностного монтажа (ПМ):
1. Простые корпуса для пассивных элементов:
– безвыводные корпуса прямоугольной формы, например резисто,
ры и конденсаторы (рис. 1.5);
– корпуса типа MELF с вмонтированными электродами в виде ме,
таллизированных торцов (рис. 1.6).
76
21
5
4
32
1
1
2
3
4
56789
76
21
5
4
32
6
362885617
Рис. 1.5. Пример корпуса прямоугольного чипа: 1 – защитное покрытие;
2 – резистивный слой; 3 – керамическое основание; 4 – контактная поверхность
Рис. 1.6. Пример корпуса типа MELF
9
12178
12193
12178
12193
121177
12119
3
4
7
4
6
3
5
1
21 1
21
4
3
8
7
21
7
1213 12334
121386 123356
12353
121836
1 2
1238
3
43
211
87
21
9
12173
12174
12334
123356
5
12177
121
3
12
7
121177
12119
1
6
21
12177
121
3
4
9
6
21
1214
12335
Рис. 1.7. Пример корпусов транзисторов типа SOT (размеры в дюймах)
1
2
1
57
6
5
8
12413
12565
1
12131
Рис. 1.8. Пример корпуса микросхем типа SO (размеры в дюймах)
2. Сложные корпуса для многовыводных полупроводниковых приборов и интегральных микросхем:
– малогабаритный транзисторный корпус SOT (рис. 1.7);
– малогабаритный корпус для ИС типа SO (рис. 1.8);
– увеличенные малогабаритные корпуса для ИС – SOL, SOIC;
– пластмассовый кристаллоноситель с выводами – PLCC (рис. 1.9);
10
4,78
4,06
1,14
0,63
!
0,46
0,33
1,36
1,19
Рис. 1.9. Пример корпуса PLCC типоразмера FN с J-oбразными выводами
12161
12134512113
12146
14
32
1
16
52
1
Рис. 1.10. Пример безвыводного корпуса типа LCCC (размеры в дюймах)
– безвыводной керамический кристаллоноситель типа LCCC (рис. 1.10);
– керамический кристаллоноситель с выводами – LDCC (рис. 1.11);
– матричный керамический корпус типа BGA (рис. 1.12).
3. Нестандартные корпуса для компонентов неправильной формы (индуктивности, переключатели).
В настоящий момент для многовыводных интегральных схем
широко применяют плоские корпуса с планарным расположением
выводов (SO, SOL, SOIC, LDCC и др.), допускающие автоматизацию
монтажно,сборочных операций при ТПМ с двух сторон монтажно,
коммутационного основания (печатной платы). В качестве материа,
ла основания корпуса используется, в основном, керамика и поли,
мерные материалы. С целью уменьшения площади, занимаемой
11
Рис. 1.11. Пример корпуса LDCC
Рис. 1.12. Пример корпуса типа BGA
12
микросхемой, и повышения плотности монтажа разработаны корпу,
са с J,образными выводами, загнутыми под корпус ИМ (рис. 1.9).
Увеличение числа выводов, непропорциональное увеличению раз,
меров кристалла, требует при размещении уменьшения ширины вы,
водов и расстояния между ними.
Так как этот путь наиболее очевиден, многие разработки прово,
дятся именно в этом направлении: шаг между выводами последова,
тельно уменьшался с 2,54 до 1,27 мм, затем до 1,0, 0,635, 0,508, а в
последних разработках до 0,318 и 0,1 мм. Число выводов при распо,
ложении их по четырем сторонам корпуса и шагом между ними
1,27 мм может быть доведено (согласно стандартам JEDEC) до 84,
при шаге 0,635 мм – до 132, при шаге 0,508 мм – до 256.
Уникальные возможности технологии показаны фирмами Kyocera,
создавшей экспериментальный образец ИС с 1024 выводами, и IBM,
изготовившей корпус с 1800 выводами размером 76,2 × 101,6 мм [3].
В настоящее время ведутся дальнейшие разработки в области мик,
рокорпусов для ЭРЭ и ИМ. Основные направления – дальнейшее по,
вышение степени интеграции путем уменьшения шага выводов до
0,1 мм, увеличения числа выводов до 256 и более. Применение кор,
пусов типа SO и SOL с числом выводов до 28 постепенно снижается.
Возрастает применение керамических носителей кристаллов, корпу,
сов PLCC, BGA и других с числом выводов 84 и более.
Хотя DIP,корпуса в современных разработках используются срав,
нительно мало, все же применения ЭРЭ со штыревыми выводами,
монтируемыми в отверстия, зачастую не удается избежать.
Проблемы при монтаже ЭРЭ и ИС представляют различные виды
выводов компонентов, размеры выводов и шаг между ними. К тому
же, как правило, на современном этапе на одном монтажно,комму,
a)
г)
б)
д)
в)
е)
Рис. 1.13. Варианты выводов электронных компонентов: а – безвыводная конструкция; б – штыревой вывод; в – безвыводная конструкция с распоркой; г – J- образный вывод; д – сферический (бугорковый) вывод; е – планарный вывод («крыло чайки»)
13
тационном основании располагаются компоненты, различные по
принципу монтажа (в отверстия и на поверхность) и с различной фор,
мой выводов (рис. 1.13).
Очевидно, что такие тенденции заставляют сокращать объемы
ручного монтажа пайкой, не обеспечивающего должных производи,
тельности и качества и характеризующегося значительным влияни,
ем субъективных факторов на уровень брака. Для компонентов с
шагом 0,1 мм ручная пайка становится практически невозможной.
14
2. ФИЗИКО*ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И СОВРЕМЕННЫЕ
ТЕХНОЛОГИИ СОЗДАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
СОЕДИНЕНИЙ И МОНТАЖА ЭЛЕКТРОННЫХ УЗЛОВ
2.1. Технологии создания электрических соединений сваркой
Физико-химические основы сварки в микроэлектронике
Процесс образования сварного соединения можно условно разде,
лить на четыре стадии: образование физического контакта между
поверхностями материалов; активация контактных поверхностей;
объемное развитие взаимодействия; кристаллизация [1, 2].
На первой стадии материалы сближаются на расстояние порядка
10–100 нм, при котором между частицами начинает проявляться
физическое взаимодействие, обусловленное силами Ван,дер,Вааль,
са. Под действием этих сил происходит дальнейшее самопроизволь,
ное уменьшение расстояний между атомами. При некоторой крити,
ческой величине начинается перекрытие стабильных электронных
оболочек и появляются силы отталкивания, что и завершает первую
стадию образования соединения.
При твердофазной сварке вследствие шероховатости реальных
поверхностей физическое взаимодействие протекает не по всей пло,
щади, а только в местах контакта микровыступов с наибольшей сум,
мой высот. В процессе последующего пластического деформирования
этих выступов в контакт будут вступать новые, обладающие мень,
шей суммой высот. В начальный момент процесс формирования кон,
такта двух поверхностей сопровождается ростом числа единичных
пятен касания и схватывания, площадь каждого при этом увеличи,
вается незначительно.
На второй стадии происходит образование на поверхности более
твердого из соединяемых материалов центров, активных в химичес,
ком отношении. Для активирования поверхностей вводится допол,
нительная энергия: тепловая, деформации, ультразвуковая (УЗ).
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 образо,
ванию металлической связи между контактирующими поверхностями.
Активирование с помощью энергии деформации приводит к тому,
что все большая часть сопрягаемых поверхностей в зоне контакта
очищается от оксидных и адсорбционных пленок, и включается в
соприкосновение друг с другом.
15
При воздействии УЗ,колебаний наблюдается упрочнение поверх,
ностных слов в зоне сварки, что приводит к деформированию более
глубоких слоев твердого тела с одновременным интенсивным тепло,
выделением, вызванным трением сжатых контактирующих поверх,
ностей. В результате осуществляется вовлечение в деформацию все
больших объемов металла, разрастание мостиков схватывания.
С момента образования на контактных поверхностях активных
центров наступает третья стадия, при которой развивается взаимо,
действие соединяемых материалов как в плоскости, так и в объеме
зоны контакта. В плоскости контакта оно заканчивается «слиянием
очагов взаимодействия», что является необходимым условием воз,
никновения прочных химических связей между материалами. Но оно
может оказаться недостаточным для получения прочного сварного
соединения. Увеличение времени сварки приводит к развитию гетеродиф,
фузии, которая может упрочнить соединение при образовании твердых ра,
створов замещения или в отдельных случаях разупрочнить при образова,
нии хрупких так называемых интерметаллидных фаз.
Характерной особенностью кристаллизации сварного соединения
является образование зональной структуры, состоящей из ядра, пе,
реходной зоны и неизменяемой зоны основы. Ядро при сварке плав,
лением представляет закристаллизовавшуюся жидкую фазу, кото,
рая может состоять из гомогенных кристаллов, твердого раствора
замещения или внедрения, интерметаллидов, механической смеси
кристаллов и примесей. Структура ядра определяет качество и на,
дежность соединения. Поэтому при контактировании необходимо
стремиться к идеальному гомогенному кристаллическому переходу
путем подбора материалов с одинаковыми физико,механическими
свойствами, строением кристаллической решетки и электронной
структуры или таких, для которых выполняется условие образова,
ния твердых растворов в широком диапазоне концентраций. В пере,
ходной зоне, которая в зависимости от метода сварки колеблется в
широких пределах, происходит диффузионное легирование основы,
ее рекристаллизация.
Способы соединения сваркой
Ультразвуковая сварка выполняется за счет возбуждения в сва,
риваемых деталях упругих колебаний УЗ,частоты при одновремен,
ном создании определенного давления. Схема ультразвуковой коле,
бательной системы приведена на рис. 2.1. Для УЗ,микросварки ис,
пользуют оборудование с частотами 22, 44, 66, 88 кГц. При УЗ,свар,
ке температура нагрева непосредственно в зоне контакта не превы,
16
шает 30–50 % от температуры плавления соединяемых материалов,
что позволяет использовать этот метод для соединения чувствитель,
ных к нагреву материалов.
Прочность сварного соединения в основном определяется ампли,
тудой колебаний на рабочем торце инструмента и давлением, прило,
женным к соединяемым деталям. При малой амплитуде в плоскости
контакта происходит замедленное образование активных центров
соединения. Чрезмерное увеличение амплитуды увеличивает напря,
жения среза, приводящие к разрушению части узлов схватывания.
Экстремальный характер имеет зависимость прочности сварного
соединения от давления: его занижение замедляет пластическую де,
формацию в контактной зоне соединения и снижает плотность дис,
локаций, необходимых для активирования поверхности. Завыше,
ние давления увеличивает трение и снижает амплитуду колебаний
рабочего торца инструмента. Оптимальное значение давления колеб,
лется от 0,5 до 20 Н/мм2. Повышение частоты колебаний инстру,
мента в некоторых случаях ускоряет процесс соединения. Время свар,
ки подбирается экспериментально с целью получения максимальной
прочности соединения.
Основным элементом установок УЗ,сварки является инструмент,
форма и размер рабочей части которого имеют важное значение для
получения качественных соединений. Распространенной конструк,
цией является стержень с конической частью, размеры торца которо,
го выбираются в зависимости от диаметра привариваемого провод,
1
2
11
3
2
4
5
6
Рис. 2.1. Схема ультразвуковой колебательной системы: 1 – преобразователь; 2 – волновод; 3 – концентратор; 4 – свариваемые детали;
5 – УЗ-опора-отражатель; 6 – акустическая развязка
17
ника (dтор = 3–4 dпр). В ряде случаев на торце инструмента делают
поперечные и продольные канавки, которые обеспечивают эффектив,
ную передачу УЗ,колебаний и обжатие выводов.
Материал инструмента для УЗ,сварки должен обладать высокой
износостойкостью, иметь незначительные акустические потери, ма,
лую склонность к адгезии с привариваемым материалом, высокую
прочность, хорошую обрабатываемость. Наиболее полно этим требо,
ваниям удовлетворяют твердые сплавы на основе карбида вольфра,
ма. Инструмент из этого сплава выдерживает до 50000 сварок. Зна,
чительное повышение стойкости достигается химико,термической
обработкой инструмента. Насыщение рабочей поверхности марган,
цем увеличивает стойкость инструмента в 2 раза, а нанесение покры,
тия из титана – в 3,4 раза.
Термокомпрессионная сварка – это сварка, которая проводится при
невысоких давлениях с подогревом соединяемых деталей. Она имеет
ряд достоинств: стабильность сварочного инструмента и его высокая
стойкость, малая чувствительность к изменению режима, простота кон,
троля основных параметров процесса и недостатков: ограниченное чис,
ло сочетаний свариваемых материалов (только пластичные), необходи,
мость весьма тщательной подготовки соединяемых деталей.
При приложении температуры и давления в момент осадки
(рис. 2.2, а, б) в результате течения пластичного металла вдоль по,
верхности другого металла происходит очистка места соединения от
оксидных пленок, сближение поверхностей и образование между
ними плотного контакта. После сварки за счет развития процесса
диффузии между свариваемыми материалами полученное соединение
упрочняется.
По способу соединения термокомпрессия выполняется «внахлест,
ку» и «встык». Тип образующегося соединения определяется формой
инструмента, среди которых основными являются: капилляр (рис. 2.3, а)
и клин (рис. 2.3, б, в). Наиболее высокая прочность обеспечивается при
a)
1
1
2
б)
3
4
Рис. 2.2. Схема термокомпрессионной сварки: а – сварка капилляром;
б – сварка клином; 1 – печатная плата; 2—контактная площадка, 3 – микропроволока; 4 – рабочий инструмент
18
a)
б)
в)
Рис. 2.3. Типы термокомпрессионных соединений: а – обычное; б – ребром жесткости; в – типа «рыбий глаз»
использовании соединений с ребром жесткости или типа «рыбий глаз»,
но для этого требуется сложная форма инструмента.
Основными параметрами режима термокомпрессии являются уси,
лие сжатия Р, температура нагрева инструмента или соединения Т,
длительность выдержки под давлением t. Выбор давления определя,
ется допустимой деформацией присоединяемого проводника или мак,
симально допустимым давлением на присоединяемую деталь. Дефор,
мация для золотой проволоки составляет 50–70%, для алюминие,
вой – 60–80%. Температура нагрева не должна превышать темпера,
туру образования эвтектики соединяемых материалов и колеблется
для различных материалов от 250 до 450°С. Длительность выдерж,
ки устанавливается в зависимости от сочетания свариваемых мате,
риалов и определяется экспериментально путем оценки прочности
соединений.
Весьма важным фактором при термокомпрессионной сварке явля,
ется правильный выбор материала инструмента. Он должен иметь
низкую теплопроводность, высокую прочность при периодических
колебаниях температуры, высокую стойкость против окисления и
износа, низкую склонность к схватыванию со свариваемыми матери,
алами. Больше других перечисленным требованиям удовлетворяет
инструмент, изготовленный из твердых сплавов (карбиды вольфра,
ма и титана) и керамики (оксид бериллия, алюмокерамика).
Термокомпрессионная сварка применяется для присоединения
выводов к полупроводниковым кристаллам, сварки микропроводов
19
и проволок между собой, приварки жил плоского кабеля к выводам
соединителя и др. (Т = 250–450°С, Р = 40–100 МПа, t = 1–10 с).
Сварка давлением с косвенным нагревом в отличие от термокомп,
рессии проводится инструментом, который импульсно нагревается
проходящим по нему током. Вследствие кратковременности процес,
са нагрева металлический проводник в месте контакта нагревается
до более высоких температур, чем при термокомпрессии. Это позво,
ляет приваривать проводники из относительно малопластичных ме,
таллов к тонким пленкам на керамических подложках. Высокая точ,
ность поддержания температуры и малая инерционность обеспечи,
ваются при нагреве инструмента током с частотой следования им,
пульсов 0,5–1,5 кГц. Данный метод применяется при монтаже на,
весных элементов, имеющих гибкие выводы (Т = 300–600°С,
Р = 80–200 МПа, t = 0,1–0,5 с). Сочетание термокомпрессии с кос,
венным импульсным нагревом и наложения УЗ,колебаний позволя,
ют в 1,5,2 раза снизить усилие сжатия деталей (15–50 МПа) и увели,
чить прочность соединения.
Сварка сдвоенным (расщепленным) электродом применяется в
технологии поверхностного монтажа, в частности при получении
контактных соединений планарных выводов ИС и дискретных ЭРЭ с
контактными площадками плат, жестких ленточных проводов с
выводами печатных соединителей и др. Свариваемыми материалами
являются медь, серебро, золото, алюминий, никель; толщина их со,
ставляет 0,03–0,5 мм.
Подготовка свариваемых поверхностей заключается в предвари,
тельном отжиге материалов для снятия внутренних напряжений и
увеличения пластичности, в обезжиривании поверхностей химичес,
кими растворителями. Сварку осуществляют инструментом – элект,
родом, изготовленным из вольфрама или молибдена в виде двух токоп,
роводящих частей, разделенных зазором 0,02–0,25 мм в зависимости
от толщины или диаметра привариваемых выводов (рис. 2.4). Для по,
вышения жесткости инструмента между электродами устанавливают
диэлектрическую прокладку. Зазор между электродами оказывает зна,
чительное влияние на глубину проникновения тока и на термическую
нагрузку печатного проводника в месте соединения с диэлектриком.
Как видно из рисунка, ток проходит по цепи электрод–вывод–
электрод. Сварку проводят одним или несколькими импульсами кон,
денсаторного разряда с регулировкой длительности, мощности и ин,
тервалов между импульсами. Это обеспечивает предварительный на,
грев зоны сварки без резкого подъема температур в начале сварочного
цикла и отжига материалов. Усилие прижима электродов Р при свар,
20
1
1
1
4
3
1
2
Рис. 2.4. Схема сварки сдвоенным электродом: 1 – электрод; 2 – вывод;
3 – контактная площадка; 4 – основание
ке (0,2–1,5 Н) создается в момент нагрева до максимальной темпера,
туры и снимается до окончания действия импульса тока.
Качество сварки сдвоенным электродом определяется сочетанием
температур плавления соединяемых металлов, соотношением раз,
меров выводов и толщины печатных проводников, термостойкостью
платы. Медные печатные проводники вследствие высокой тепло, и элек,
тропроводности плохо свариваются, поэтому их предварительно покры,
вают электролитическим способом слоем никеля или золота.
Недостатками рассмотренного метода являются необходимость
никелирования плат и золочение выводов ИС, точное позициониро,
вание выводов, трудность группового контактирования, более высо,
кая стоимость по сравнению с пайкой. Как показывает анализ, боль,
шинство методов сварки обеспечивает индивидуальное выполнение
каждого соединения, что отрицательно сказывается на производи,
тельности.
2.2. Технологии создания электрических соединений пайкой
Среди методов выполнения монтажных соединений в РЭА пайка
занимает доминирующее положение. В зависимости от типа произ,
водства она выполняется индивидуально с помощью нагретого па,
яльника или различными групповыми методами. Индивидуальная
пайка эффективна при монтаже ПП в условиях единичного и мелко,
серийного производства, для проводного монтажа, при запаивании
21
элементов со штыревыми выводами на одной стороне ПП после вы,
полнения пайки групповым способом на второй стороне, при макет,
ных, ремонтных и регулировочных работах. К основным преимуще,
ствам групповой пайки относятся: строгое поддержание технологи,
ческого режима, повышение производительности, увеличение надеж,
ности соединений, легкость автоматизации. Но с их применением
повышаются требования к однородности и качеству подготовки по,
верхностей, возникает необходимость в разработке мер по предотв,
ращению перегрева термочувствительных элементов и подбора кон,
структивно,технологических решений по устранению характерных
дефектов (сосулек, перемычек, наплывов и др.), усложняется про,
цесс отмывки более активного, чем при индивидуальной пайке флю,
са, 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:
фиксации соединительных элементов с предварительно подготовлен,
ными к пайке поверхностями; нанесения дозированного количества
флюса и припоя; нагрева деталей до заданной температуры и выдер,
жки в течение ограниченного времени; охлаждения соединения без
перемещения паяемых поверхностей; очистки соединений; контро,
ля качества. В современных автоматизированных групповых спосо,
бах пайки первая и вторая операции меняются местами, т.е. сначала
наносится припойный материал, а затем устанавливаются контак,
тируемые компоненты.
Материалы для использования
в процессах пайки электронных узлов
На качество паяных соединений оказывают существенное влия,
ние не только технологические условия проведения процесса пайки,
но и правильный выбор материалов: флюсов, припоев, очистных
жидкостей.
В качестве припоев используются различные цветные металлы и
их сплавы, имеющие более низкую температуру плавления, чем со,
единяемые металлы. Исходя из температуры плавления припои раз,
деляются на низко,, средне, и высокотемпературные. Для пайки мон,
тажных соединений РЭА применяют преимущественно низко, и сред,
нетемпературные припои (Тпл ≤ 450°С). Основными компонентами
низко, и среднетемпературных припоев являются олово и свинец, к
которым для придания специальных свойств могут добавляться при,
садки сурьмы, серебра, висмута, кадмия. Так, серебро и сурьма по,
22
вышают, а висмут и кадмий понижают температуру плавления и зат,
вердевания припоя. Серебро задерживает снижение прочности при
старении, уменьшает окисление олова. Сурьма также увеличивает
прочность соединения, но делает его хрупким и ухудшает растекание
по меди. Механическая прочность припоев повышается с увеличени,
ем содержания олова, при этом одновременно увеличивается и его
стоимость, так как свинец приблизительно в 20 раз дешевле олова.
Наиболее распространенными припоями на сегодняшний день явля,
ются сплавы Sn62/Pb36/Ag2, Sn63/Pb36 и Sn61/Pb39.
Выбор марки припоя определяется назначением и конструкцией
изделий, маркой основного металла и технологического покрытия,
максимально допустимой температурой при пайке, а также технико,
экономическими и технологическими требованиями, предъявляемы,
ми к паяным соединениям. К техническим требованиям относятся
достаточная механическая прочность и пластичность, заданные теп,
лопроводность и электрические характеристики, коэффициент тер,
мического расширения (КТР), который должен быть близким к КТР
паяемого металла, коррозионная стойкость как в процессе пайки,
так и при эксплуатации соединений. Припой должен быть экономич,
ным и не содержать дефицитных компонентов. Технологические тре,
бования к припою предусматривают хорошую смачиваемость соединяе,
мых им металлов, высокие капиллярные свойства, малый температур,
ный интервал кристаллизации для исключения появления пор и тре,
щин в паяных соединениях, возможность дозирования его в виде про,
волоки, трубок с наполнением их флюсом, шариков, таблеток и т. п.
Флюсы при пайке образуют жидкую и газообразную защитные
зоны, предохраняют поверхность металла и расплавленного припоя
от окисления, растворяют и удаляют уже имеющиеся пленки окси,
дов и загрязнений с поверхностей, улучшают смачивание металла
припоем и растекание припоя за счет уменьшения сил поверхностно,
го натяжения. Выбор флюса производится исходя из требуемой хи,
мической активности, которая должна быть наибольшей в интерва,
ле температур, определяемом температурами плавления припоя и
пайки. Он должен быстро и равномерно растекаться по паяемым ма,
териалам, хорошо проникать в зазоры и удаляться из них, легко
вытесняться расплавленным припоем, быть термически стабильным,
не выделять вредных для здоровья газов, не вызывать коррозии пая,
емых металлов и припоев, быть экономичным. Правильно выбран,
ный флюс ускоряет процесс пайки при минимально возможных тем,
пературах, что важно при сборке термически чувствительных эле,
ментов РЭА.
23
В зависимости от температурного интервала активности флюсы
разделяются на низко, и высокотемпературные. Для электромонтаж,
ных соединений в основном применяются низкотемпературные флю,
сы, которые по коррозионному действию разбиты на пять групп: не,
коррозионные неактивированные; некоррозионные слабоактивиро,
ванные; слабокоррозионные активированные; коррозионные актив,
ные; коррозионные высокоактивные. По своему составу флюсы раз,
деляются на три группы:
– смолосодержащие;
– активированные смолосодержащие;
– смолонесодержащие.
К первой относятся смолосодержащие флюсы на основе канифоли
или полиэфирных флюсующих смол (ПН,9, ПН,56). Они обладают
широкой универсальностью, не снижают электрическое сопротивле,
ние подложек ПП, не вызывают коррозии соединяемых металлов.
Однако флюсы этих групп обладают слабой химической активнос,
тью и предназначены для пайки легкопаяемых металлов.
Во второй группе наиболее широкое применение находят флюсы с
канифолью, однако флюсующая активность ее невысока. В связи с
этим вводят различные активирующие добавки. Роль таких добавок
в процессе оплавления сводится к устранению путем химического
взаимодействия окислов металлов, образующихся на поверхности
паяемого изделия. Часто в качестве активирующих добавок вводят
органические и неорганические кислоты, различные соли. Канифоль,
ные флюсы, активированные 2–3,5% органических кислот (бензой,
ной, салициловой и др.), обладают повышенной активностью и ис,
пользуются при групповой и ручной пайке многослойных ПП. Силь,
ное влияние этих флюсов на сопротивление изоляции диэлектриков
и коррозию проводников требует тщательной отмывки остатков флю,
са после пайки.
Третью группу составляют коррозионные активные флюсы, не со,
держащие смол. Для повышения активности флюсов в их состав вво,
дят активирующие добавки: анилин, гидразин, триэтаноламин, ди,
этиламин соляно,кислый. При введении активаторов стремятся, что,
бы при пайке добавки со щелочными свойствами нейтрализовали
остатки кислотных компонентов. С целью уменьшения коррозион,
ных свойств флюса,активатора предложено использовать продукты
нейтрализации органических кислот аминами. В качестве кислот,
ных составляющих солей применяют как неорганические, так и сла,
бые органические кислоты – оксибензойную, лимонную, олеиновую.
Основное применение данные флюсы нашли в процессах лужения и
24
восстановления паяемости монтажных элементов после хранения в
цехе и на складе.
Реализовать полностью все преимущества технологии поверхнос,
тного монтажа позволяет использование в качестве припойного ма,
териала паяльных (припойных) паст так называемых Reflow
soldering processes. Пайка с использованием паяльных паст не толь,
ко облегчает условия создания автоматизированного процесса, но и
повышает качество и надежность паяных соединений, обеспечивает
экономию припойных материалов.
Припойные пасты представляют собой однородную суспензию по,
рошка легкоплавкого припоя во флюсующей связке, которая выпол,
няет функции активатора, растворителя, дефлокулянта, антиокси,
данта и др.
При использовании для монтажа пайкой ЭРЭ и ИМ паяльные па,
сты обеспечивают выполнение в полном объеме следующих техноло,
гических требований:
– использование всего диапазона низкотемпературных припоев,
применяемых для пайки;
– синхронизацию подачи припоя и флюса в оптимальных соотно,
шениях;
– точное дозирование припоя и флюса по количеству и месту раз,
мещения, простоту дозирования;
– фиксацию, удержание элементов при сборке;
– существенное снижение расходов дефицитных материалов;
– реализацию групповых методов обработки изделий различной
серийности;
– обеспечение технических решений, принципиально невозмож,
ных при ручной сборке;
– существенное повышение качества и надежности изделий;
– полное исключение ручного труда, создание автоматизирован,
ных комплексов и полностью автоматизированных производств.
За рубежом целый ряд ведущих фирм, занятых разработками в
области электроники и электротехники, изготавливает пасты раз,
личного назначения, в том числе припойные. Самые известные из
них: Du Pont, Kester, Alpha Metals, Electron Fusion Devices Inc. (EFD),
ERA Inc, Multicore.
Качество припойной пасты определяется размерами частиц при,
поя, их формой, чистотой, степенью однородности гранулометричес,
кого состава и химическим составом флюсующей связки.
Припойные пасты сильно различаются по составу и свойствам,
общим у них является наличие двух составляющих: порошкообраз,
25
ного припоя и флюса,связки. В пределах этих главных компонентов
возможны разнообразные комбинации.
К порошкам припоев, применяемых для производства паяльных
паст, предъявляется ряд специальных требований:
– однородность фракционного состава (20–70 мкм);
– низкая степень окисления;
– форма зерен должна быть максимально близкой к сферической;
– отсутствие посторонних включений.
В отечественной и зарубежной практике используют методы по,
лучения мелкодисперсного припоя, основанные на различных физи,
ческих эффектах, обеспечивающих получение порошков металлов.
Распыление акустическими колебаниями выгодно отличается
высокой производительностью и хорошим качеством получаемых
продуктов. Распыление выполняется в инертной (азот, гелий) среде,
что позволяет получать неокисленные зерна припоя [5].
Второй основной составляющей припойных паст является флюс,
связка. Составы флюсов,связок разнообразны, выбор их определяет,
ся характером спаиваемых поверхностей и требованиями техпроцесса.
К числу таких требований относятся:
– обеспечение необходимых реологических свойств;
– обеспечение требуемых флюсующих свойств;
– возможность отмывки изделий после пайки определенными ра,
створами;
– обеспечение достаточной клеящей способности;
– отсутствие расслаивания в процессе использования и хранения.
Флюсующую связку припойных паст образуют, как правило, флюс
и органическое связующее. Флюс – индивидуальное вещество или
смесь веществ, которые способны при повышенной температуре очи,
щать паяемые металлы от окисной пленки, снижать поверхностное
натяжение на границе расплавленный припой–металл–связующее,
предохранять расплавленный припой от окисления.
Органическое связующее – это смесь веществ, в которой растворя,
ется активатор и взвешивается порошкообразный припой. Актива,
тором пайки может быть и само органическое связующее.
В качестве органического связующего часто используются смолы, по,
липарафины, полиорганические силоксаны, масла, органические лаки.
На основе ряда контролируемых параметров (реологические свой,
ства, активность флюса и т.п.) характеристики паяльных паст мо,
гут быть подобраны для обеспечения качественных паяных соедине,
ний с учетом методов изготовления и дозирования паст, метода пай,
ки и требований последующей очистки. Таким образом, основой ус,
26
пешного применения паст является тщательный учет технологичес,
ких факторов процесса пайки и рациональный выбор пасты.
Первый «пункт назначения» печатной платы в цепочке современ,
ных автоматизированных способов монтажа пайкой – аппарат для
нанесения припойной пасты (см. подразд. 3.2). От того, насколько
правильно будет нанесена припойная паста на плату, во многом за,
висит работоспособность конечного изделия: элементы могут «по,
плыть» из,за слишком большого количества пасты, из,за неточного
нанесения образуются короткие замыкания, количество пасты дол,
жно быть достаточно для надежного спаивания всех контактов.
Использование припойных паст потребовало разработки специ,
альных методов нанесения их на место пайки. Паста может нано,
ситься вручную – иглой или микрошпателем, кистью, накаткой ва,
ликом. Для серийного производства чаще всего используются мето,
ды трафаретной печати или дозаторного нанесения.
Электропневматические (реже механические) дозаторы приме,
няют для ручного или автоматического нанесения порции пасты [4].
Использование данного метода экономически наиболее выгодно в
условиях мелкосерийного и единичного производства. Количество
пасты регулируется диаметром канала иглы, а также режимом дози,
рования. Для микродозировки важное значение имеют реологичес,
кие свойства паст, прежде всего, размер и форма частиц порошкооб,
разного припоя, вязкость композиции.
Соблюдение всех указанных требований позволяет использовать
дозатор в целом ряде технологических процессов, что улучшает ка,
чество пайки и существенно снижает расход припоя и флюса. Кроме
того, метод прост, а используемое оборудование удобно в эксплуата,
ции и недорого.
В ряде случаев использование дозаторов вполне оправдано даже
при крупносерийном и массовом производствах. Например, для на,
несения пасты в труднодоступные участки – в отверстия, при ремон,
те (пайка нового компонента между смонтированными ранее) и т.д.
Нанесение через трафарет применяют при серийном и массовом
производстве. При использовании трафаретной печати следует при,
нимать во внимание следующие факторы [6].
Во,первых, важна точность автоматического совмещения платы
и трафарета. Современные станки должны обеспечивать точность не
ниже 30 мкм. Это особенно важно при высокой плотности размеще,
ния на плате компонентов с мелким шагом.
Во,вторых, плата должна быть жестко закреплена и поддержи,
ваться снизу. Давление инструмента (ракеля) при нанесении пасты
27
может достигать 10 кг. Если конструкцией станка поддержка не пре,
дусмотрена, то плата может прогнуться под давлением и паяльная
паста окажется между платой и трафаретом, вследствие чего возник,
нут короткие замыкания контактов и выводов платы и компонентов.
В,третьих, важное значение имеет система автоматической очис,
тки трафарета. После 3,5 проходов ракеля на нижней стороне трафа,
рета образуются шарики пасты, которые при подаче очередной пла,
ты могут образовывать замыкания ее контактов.
Пройдя автоматический видеоконтроль количества паяльной па,
сты на контактных площадках, плата поступает в автомат установ,
ки поверхностно,монтируемых компонентов (см. подразд. 3.1).
Очистные жидкости предназначены для отмывки изделий от
флюса после пайки в специальных установках (см. подразд. 3.4).
При выборе очистной жидкости необходимо учитывать состав остат,
ков, ее растворяющую способность, рабочую температуру, время и
условия отмывки, влияние на элементы конструкции, токсичность
и пожароопасность. Водорастворимые флюсы отмывают в проточной
горячей (60–80°С) воде с помощью мягких щеток (кистей). Кани,
фольные флюсы в процессе индивидуальной пайки промывают этило,
вым (изопропиловым) спиртом; при групповой пайке применяют ульт,
развуковую очистку или очистку щетками в спирто,бензиновой смеси
(1:1), трихлорэтилене или хлористом метилене. Хорошие результаты
получены при использовании фреона или смесей на его основе. Фреон
характеризуется низким поверхностным натяжением, в результате чего
он проникает в мельчайшие отверстия. Этот растворитель не воспламе,
няется, не разрушает резину, лаки, краски и большинство полимеров,
легко регенерируется путем дистилляции, но экологически опасен.
В последние годы различными фирмами предлагается целый ряд
высокоэффективных промывочных жидкостей. Широкое распрост,
ранение в настоящее время получила жидкость PROZONE, обладаю,
щая высокой эффективностью и универсальностью, и поэтому ис,
пользуемая и для промывки печатных плат, и для очистки трафаре,
тов и оборудования. Еще более высокими качествами обладает про,
мывочная жидкость на основе спиртовых модифицированных соеди,
нений ZESTRONFA [7]. Она обеспечивает отличное качество отмывки
и не оставляет маслянистых остатков.
Выбор конкретного материала для пайки производят в соответствии
с отраслевыми стандартами.
Физико-химические основы пайки
Отдельные технологические операции, обеспечивающие каче,
ственные паяные соединения, следующие:
28
– получение чистых металлических поверхностей путем устране,
ния поверхностных слоев с помощью флюса;
– нагрев выше точки плавления припоя и ниже точек плавления
соединяемых материалов;
– вытеснение флюса с помощью наступающего припоя;
– растекание жидкого припоя по металлической поверхности –
процесс смачивания;
– диффузия атомов из твердой металлической фазы в жидкий при,
пой и наоборот – образование сплавной зоны;
– охлаждение и кристаллизация жидкого припоя;
– последующая обработка паяных соединений – очистка, когда
удаляются флюсы, способствующие коррозии.
Для образования качественного паяного соединения необходимо:
подготовить поверхности деталей; активировать соединяемые метал,
лы и припой; обеспечить взаимодействие материалов на границе «ос,
новной металл–жидкий припой»; создать условия для кристаллиза,
ции жидкой металлической прослойки.
Подготовка включает удаление загрязнений органического и ми,
нерального происхождения, оксидных пленок, а в некоторых случа,
ях также нанесение покрытий, улучшающих условия пайки или по,
вышающих прочность и коррозионную стойкость паяных соедине,
ний. Удаление сильных загрязнений, пленок проводят механичес,
кими или химическими (обезжиривание, травление) способами. При
механической очистке удаляется тонкий поверхностный слой металла
при помощи режущего инструмента (резца, шлифовального круга,
шабера и др.), наждачной бумаги, проволочной щетки. Для повыше,
ния производительности при обработке протяженных и сложнопро,
фильных изделий (например, ПП) применяют гидроабразивную об,
работку или очистку вращающимися щетками из синтетического
материала с введенными в его состав абразивными частицами. Обра,
зование шероховатой поверхности после механической обработки спо,
собствует лучшему растеканию флюса и припоя за счет капиллярного
эффекта, так как риски являются мельчайшими капиллярами.
Обезжиривание изделий проводят в растворах щелочей или в орга,
нических растворителях (ацетоне, бензине, спирте, четыреххлорис,
том углероде, фреоне, спиртобензиновых и спиртофреоновых смесях)
путем протирки, погружения, распыления, обработки в паровой фазе
или в ультразвуковой ванне. Современное оборудование для очистки
имеет блочно,модульную конструкцию с программным управлени,
ем. Обычно оно снабжается устройствами для регенерации моющих
средств и сушки изделий. Эффективным методом сушки является
центрифугирование.
29
Удаление оксидных пленок осуществляют травлением в раство,
рах кислот или щелочей. Состав раствора определяется видом ме,
талла, толщиной окисной пленки и требуемой скоростью травления.
После операции травления детали тщательно промывают с примене,
нием нейтрализующих растворов.
Очищенные детали необходимо в короткий срок направлять на
сборку и пайку, так как сроки сохранения паяемости для меди 3–5
сут, для серебра – 10–15 сут. В ряде случаев перед пайкой на поверх,
ность соединяемых деталей наносят покрытия, которые улучшают
процесс смачивания припоем и поддерживают хорошую способность
к пайке в течение длительного межоперационного хранения. В каче,
стве металла для таких покрытий используют различные припои (ПОС,61,
сплав Розе и др.), серебро, золото, палладий и их сплавы, которые наносят
гальваническим или термовакуумным осаждением, а также горячей метал,
лизацией. Использование технологического покрытия позволяет увели,
чить сроки сохранения паяемости до 3–6 мес.
На алюминий и его сплавы технологические покрытия наносят с
применением ультразвуковых колебаний. Для этого используют У3,
паяльники, которые создают УЗ,колебания в расплаве припоя, на,
несенном на основной металл, или используют УЗ,ванны, в которых
УЗ,колебания передаются расплавленному припою через стенки со,
суда при облуживании погружением. Кавитационные явления, воз,
никающие в расплаве, приводят к разрушению оксидной пленки на
поверхности металла и смачиванию его припоем.
Увеличение срока сохранения паяемости деталей, подготовлен,
ных к пайке, достигается также путем нанесения специальных кон,
сервационных 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: на основе канифоли (флюсы ФКСп, ФПЭт, ФКЭт); консерва,
ционные, представляющие собой пленки щелочных металлов. Боль,
шинство консервационных покрытий вытесняет влагу, и их можно
наносить на влажные, не успевшие окислиться детали путем погру,
жения в раствор, кистью или пульверизацией. Образовавшаяся пос,
ле испарения растворителя пленка надежно защищает поверхности
металлов от проникновения влаги и окисления в течение 5–6 мес.
хранения.
После выполнения подготовительных операций и в процессе ме,
жоперационного хранения проводится контроль пригодности дета,
лей к пайке путем оценки паяемости. В промышленности разработа,
но большое число методов контроля паяемости: определение площа,
ди облуживания поверхности после выдержки образцов в течение
30
заданного промежутка времени во флюсе, а затем расплавленном при,
пое; она должна составлять не менее 95% от контролируемой повер,
хности; расчет коэффициента растекания Kp = Sp/So как отношение
площади Sp, занимаемой навеской припоя после расплавления и ра,
стекания к площади So, занимаемой дозой припоя в исходном состо,
янии, или отношение высот припоя до (h0) и после (hP) растекания;
измерение краевого угла смачивания Θ (будет рассмотрено в этом раз,
деле далее); по высоте или скорости подъема припоя в капиллярном
зазоре (например, в металлизированном отверстии ПП); измерение
усилия, действующего на образец основного металла, погруженного
в припой (по величине поверхностного натяжения).
По критерию паяемости все многообразие современных паяемых
материалов различной физико,химической природы можно разделить
на следующие основные группы: легкопаяемые, среднепаяемые, труд,
нопаяемые и непаяемые (табл. 2.1).
Нагрев основного металла и расплавление припоя приводят к тому,
что их активность снижается вследствие взаимодействия с кислоро,
дом воздуха и образования оксидной пленки. Чтобыобеспечить ак,
тивацию поверхностей и удалить образующуюся в процессе пайки
оксидную пленку, защитить поверхности деталей от дальнейшего
окисления, применяют флюсы, газовые среды, самофлюсующиеся
припои или способы физико,механического воздействия (механичес,
кие вибрации, ультразвуковые колебания и т.д.).
Пайка с флюсами наиболее распространена и общедоступна, так
как ее можно осуществлять в обычных атмосферных условиях без
применения дорогостоящего оборудования. Расплавленный флюс
Таблица 2.1. Классификация материалов по паяемости
Группа материалов
Материалы
KP =
h0 − hp
h0
Θ, град
Легкопаяемые
Олово, золото, серебро, медь
и их сплавы
0,8–0,97
0–12
Среднепаяемые
Латунь, бронза, никель,
цинк, сталь
0,6–0,82
5–20
Труднопаяемые
Нержавеющая сталь,
магний, алюминии, титан,
молибден и др.
0,5–0,6
20–40
Непаяемые
Kерамика, стеклокерамика,
ферриты, полупроводники
–
120–160
31
растекается по паяемой поверхности и припою, смачивает их и всту,
пает с ними во взаимодействие, в результате которого удаляется ок,
сидная пленка. Основными процессами, способствующими удалению
оксидов металлов, являются: химическое взаимодействие между
флюсом и оксидной пленкой с образованием растворимого во флюсе
соединения; химическое взаимодействие между флюсом и основным
металлом, в результате которого происходит постепенный отрыв ок,
сидной пленки от металла и перевод ее в шлак; адсорбционное пони,
жение прочности оксидной пленки под действием расплава припоя и
диспергирование (раздробление) ее; растворение оксидной пленки
основного металла и припоя во флюсе.
Применение флюсов нередко приводит к тому, что флюсовые ос,
татки и продукты взаимодействия их с оксидными пленками образу,
ют в паяном шве шлаковые включения, что снижает прочность и
коррозионную стойкость, нарушает герметичность соединений. Это,
го можно избежать, если перейти на бесфлюсовую пайку, которая
осуществляется в специальных газовых средах или вакууме.
Газовые среды, применяемые при пайке, разделяются на нейтраль,
ные и активные. Наиболее типичными представителями газовых ней,
тральных сред являются азот, аргон, гелий, криптон, которые за,
щищают паяемый металл и припой от окисления. Активные газовые
среды (водород, оксид углерода, азотно,водородная смесь и др.) не толь,
ко защищают от окисления детали и припой, но также удаляют с их
поверхности уже образовавшиеся оксидные пленки. Однако газовые
среды могут вступать во взаимодействие с паяемым металлом и припо,
ем, образуя нежелательные продукты реакции (гидриды, нитриды, кар,
биды), которые ухудшают физико,механические свойства соединений.
При пайке в вакууме наблюдается дегазация металла шва и, как
следствие, более высокая его плотность. Вместе с тем в вакууме воз,
можно испарение летучих компонентов припоя, таких как кадмий,
индий, марганец, цинк и других, что приводит к пористости и изме,
нению состава металла шва.
Сущность физико,механических методов удаления оксидных пленок с
поверхности паяемых металлов заключается в их разрушении под слоем
жидкого припоя с помощью ультразвука, трения деталей, режущего или
абразивного инструмента, при этом припой защищает паяемую поверх,
ность от воздействия кислорода воздуха и вступает с ней в физический
контакт. В качестве инструмента используются УЗ,паяльник, металли,
ческие щетки, сетки, а абразивным материалом служит тонкоизмельчен,
ный асбест. Эти методы активирования поверхности характеризуются
низкой производительностью, неравномерностью удаления оксидных пле,
нок и включением их, а также частиц абразива в паяное соединение.
32
Наряду с описанными методами для удаления оксидной пленки в
процессе пайки применяют самофлюсующие припои. Они содержат
компоненты, которые активно реагируют с оксидной пленкой паяе,
мого металла и припоя, образуя легкоплавкие шлаки, защищающие
поверхности основного металла и припоя от окисления. В самофлю,
сующих припоях высокой активностью обладают не только сами
флюсующие компоненты, но и их оксиды. По составу и характеру
действия самофлюсующие припои можно разделить на четыре груп,
пы: припои со щелочными металлами (Li, К), с бором, с фосфором и
несколькими компонентами.
После расплавления припоя и достижения атомами металлов тре,
буемого уровня энергии активации начинается взаимодействие, в
процессе которого происходит смачивание поверхности твердого тела
расплавом металла. От того, насколько хорошо расплавленный при,
пой смачивает поверхность основного металла, зависит прочность,
коррозионная стойкость и другие свойства паяных соединений.
При смачивании атомы металлов сближаются на расстояние ме,
нее 100 нм. В поверхностных слоях взаимодействующих металлов
возникают связи, которые, образовавшись в отдельных местах, очень
быстро распространяются по всей площади контакта «основной ме,
талл–расплав припоя». Природа возникших связей – квантовая, а
активность образования соединений между атомами металлов опре,
деляется конфигурацией внешнего электронного слоя.
Следующей стадией взаимодействия является растекание припоя
по плоской поверхности, которая продолжается до тех пор, пока не
установится равновесие векторов сил поверхностного натяжения σ в
точке на границе трех фаз (рис. 2.5) в соответствии с уравнением
σт.г = σт.ж + σж.г cosΘ,
(2.1)
где σт.г – натяжение на границе твердой и жидкой фазы; σт.ж – натя,
жение на границе твердой фазы и газа; σж.г – натяжение на границе
жидкой фазы и газа; cosΘ – коэффициент смачивания.
112
σт.г
55263738936
123456
738936σ
Θ
т.ж
55 512285
Θ24253651
Θ242653751 Θ2427538551
15
3 3
35 35 353
Рис. 2.5. Схема равновесия сил поверхностного натяжения капли припоя на поверхности твердого тела
33
Решив уравнение (2.1) относительно коэффициента смачивания,
получим
cosΘ = (σт.г – σт.ж)/σж.г.
(2.2)
Из этого уравнения видно, что чем выше поверхностное натяже,
ние припоя в расплавленном состоянии σж.г, тем хуже смачивает он
основной металл. Однако поверхностное натяжение металлов не ха,
рактеризует однозначно способность их в расплавленном состоянии течь
по поверхности твердого металла. Растекание припоя определяется со,
отношением сил адгезии припоя к поверхности основного металла и
когезии, характеризуемой силами связи между частицами припоя
K = Aa – Aк = σж.г (1 + cosΘ) – 2σж.г = σж.г (cosΘ – 1),
(2.3)
где K – коэффициент растекания.
На процесс смачивания и растекания припоя оказывают влияние
и технологические факторы: способ удаления оксидной пленки в про,
цессе пайки, характер предшествующей механической обработки,
режим пайки и др. Так, при флюсовой пайке флюсы действуют как
поверхностно,активные вещества (ПАВ) и снижают поверхностное на,
тяжение расплавленных припоев, что способствует улучшению смачи,
вания паяемой поверхности. Применение газовых сред, наоборот, ухуд,
шает смачивание вследствие того, что примеси в газовой среде взаимо,
действуют с основой, образуя различные соединения с O2, C2, S.
Это имеет особенное значение при групповых методах пайки, на,
пример при пайке волной, в которой одновременно смачивается мно,
жество мест контактирования за нeбoльшoй пpoмeжутoк времени.
Повышение температуры имеет решающее влияние на процесс сма,
чивания. Температура и время – две важнейшие величины, влияющие
на процесс диффузии. В этой связи применяют понятия температура
смачивания и рабочая температура. Температурой смачивания явля,
ется такая температура, до которой должен нагреваться основной ма,
териал с тем, чтобы поступающий жидкий припой мог смочить основ,
ной материал. Для образования процесса связи она является решаю,
щей температурой. В противоположность этому рабочей температу,
рой является такая температура, которая по меньшей мере должна
достигаться основным материалом на поверхности соприкосновения
основное вещество – жидкий припой, чтобы припой мог расшириться,
расплавиться и связаться. Рабочая температура для припоя также
является решающей.
При пайке выводов компонентов, монтируемых в отверстия печат,
ных плат, под действием капиллярного давления припой поднимается
по капилляру (зазору между выводом и стенкой отверстия) на высоту h
34
h = (2σж.г cosΘ)/(γg∆),
(2.4)
где ∆ – суммарный зазор; g – ускорение свободного падения; γ – плот,
ность припоя.
В случае монтажа компонентов на поверхность печатной платы в
горизонтальном капилляре шириной ∆ для припоя с вязкостью η про,
должительность затекания t на длину капилляра l приближенно будет
t ≈ (6ηl2)/(σж.г cosΘ∆).
(2.5)
Как показывает анализ (2.4) и (2.5), скорость затекания в гори,
зонтальном капилляре и высота подъема в вертикальном уменьша,
ются при снижении поверхностного натяжения между припоем и
флюсом. Эффективность пайки определяется величиной зазора меж,
ду паяемыми элементами, она находится в пределах от сотых до де,
сятых долей миллиметра и зависит от пары «припой – основной ме,
талл», применяемого флюса и способа пайки. Максимально допус,
тимый зазор при пайке ∆mах в зависимости от высоты поднятия при,
поя определяется по формуле
(
)
⎡
57,3 π r − bhn ⎤
∆⎢
⎥,
1 − cos
(2.6)
⎥
2⎢
r
⎣
⎦
где r – радиус вывода; b, n – постоянные величины.
В процессе растекания происходит взаимодействие жидкого при,
поя с основным металлом, проявляющееся в растворении и диффу,
зии металлов. Скорость и глубина этих процессов зависят от приро,
ды взаимодействующих металлов, температуры, скорости и времени
нагрева, напряжений в основном металле.
Диффузионные процессы при пайке позволяют увеличить проч,
ность соединений, однако эрозия основного металла расплавленным
припоем и образование интерметаллидов являются отрицательны,
ми свойствами, так как вызывают хрупкость соединений. В резуль,
тате диффузии и растворения образуется следующая схема строения
паяного шва (рис. 2.6). Ширина диффузионной зоны оказывает суще,
ственное влияние на прочность паяного соединения. Поэтому в каждом
конкретном случае условия пайки должны быть подобраны таким об,
разом, чтобы ширина диффузионной зоны не превышала 0,9–1,2 мкм.
Отсутствие диффузионной зоны указывает на недостаточную
связь, а в лучшем случае адгезионную. Паяное соединение, в кото,
ром не наблюдается образования сплава между припоем и выводом
компонента, является первоначальной ступенью так называемой
холодной пайки.
∆ max =
35
5
4
3
11
2
1
Рис. 2.6. Схема строения паяного шва: 1 и 5 – материалы основы или соединяемых металлов; 2 и 4 – зоны сплавления благодаря диффузии материала припоя и основного материала; 3 – материал припоя; bn – соединительный зазор, расстояние между соединяемыми металлами перед пайкой
После удаления источника тепловой энергии наступает стадия кристаллизации металлической прослойки, которая оказывает боль,
шое влияние на качество паяных соединений. Кристаллизация в шве
начинается на основном металле, который оказывает сильное ориен,
тирующее воздействие на расплавленный припой, и на тугоплавких
частицах, попавших в расплав. На структуру паяного соединения
влияют зазор, так как он определяет температурный градиент рас,
плава, величина и протяженность области концентрационного пере,
охлаждения, а также скорость снижения температуры. При прочих
равных условиях уменьшение зазора, а, следовательно, толщины
кристаллизирующейся жидкости приводит к таким изменениям ука,
занных факторов, что дендритная форма кристаллов (при зазоре
0,5–2 мм) постепенно уступает место ячеистой (0,3–0,4 мм), а ячеи,
стая – преобладающему росту кристаллов с гладкой поверхностью
(0,1–0,2 мм). Характерным для кристаллизации при пайке является
ярко выраженная ликвация шва, связанная с образованием зональных
неоднородностей, дендритных образований, отличающихся меньшей
прочностью. Необходимо также стремиться к увеличению скорости ох,
лаждения, так как это способствует сдерживанию роста кристаллов, и
структура шва получается более мелкозернистой, с минимальной ин,
терметаллической прослойкой, а, следовательно, спай будет более проч,
ным.
Индивидуальная пайка электронных компонентов
Требуемый температурный режим при индивидуальной пайке обес,
печивается теплофизическими характеристиками применяемого па,
36
яльника: температурой рабочего конца жала (наконечника); степе,
нью стабильности этой температуры, обусловленной динамикой теп,
лового баланса между теплопоглощением при пайке, теплоподводом
и теплозапасом в паяльном жале; мощностью нагревателя и терми,
ческим КПД паяльника, определяющими интенсивность теплового
потока в паяемые соединения и необходимую температуру пайки.
Температура рабочего конца жала, измеряемая на холостом ходу,
задается на 30–100°С выше точки ликвидуса припоя (полного рас,
плавления твердой фазы). Номинальное значение температуры оп,
ределяется термической чувствительностью элементов. В процессе
пайки температура жала паяльника снижается за счет теплоотдачи,
что при малой мощности нагревателя ограничивает число последо,
вательно выполняемых соединений, чтобы не выйти за нижнюю гра,
ницу тепловой зоны. Рекомендуемые мощности паяльников для пай,
ки микросхем – 4, 6, 12, 18 Вт, для пе,
чатного монтажа – 25, 30, 35, 40, 50,
6
26
326
60 Вт, при проводном (жгутовом) мон,
таже – 50, 60, 75, 90, 100, 120 Вт. Вы,
82586 4
бор мощности паяльников с учетом КПД
68
(25–55%) производится в соответствии
со средним теплопоглощением при мно,
гократной пайке элементов: ИС – 1,5–3
25
3726
кал, ПП – 9–10 кал, жгутов – 15 кал.
Стабилизация температуры произво,
дится с помощью: массивного паяльно,
го жала (до 3 мм для микропаяльников)
и близкого расположения нагревателя к
концу жала; импульсного нагрева, ко,
4455
торый эффективно восполняет потери
2958
тепла в процессе пайки; электронных ре,
66
2
5
гуляторов, работающих на основании
2783
информации специальных датчиков (тер,
129
626
мопар); использования для нагревате,
лей материала, изменяющего свое элек,
1234567583
трическое сопротивление (например, аг,
ломерат свинца и бария) или магнитные
свойства (рис. 2.7).
В качестве материала для паяльных
жал используют медь ввиду ее высокой Рис. 2.7. Миниатюрный патеплопроводности, но вследствие хими,
яльник с термостаческого взаимодействия с расплавлен,
билизацией (фирма
Weller, США)
ным припоем и флюсом, термоударов,
37
окисления кислородом воздуха и структурных изменений долговеч,
ность такого жала составляет 700–1000 паек, после чего его переза,
тачивают. Нанесение на жало химического никеля увеличивает пе,
риод между заточками до 1500 паек, а гальванический никель тол,
щиной 90–100 мкм – до 2000 паек. В качестве перспективных мате,
риалов для паяльных жал рекомендуются медные сплавы МХН1,4,
спеченный порошок сплава Сu–W, в котором износо, и термо,стой,
кость вольфрама сочетаются с электропроводностью меди. Гарантиро,
ванная пористость материала улучшает смачивание жала припоем.
Последовательность процесса пайки паяльником показана на рис. 2.8.
Режимами пайки являются температура, которая для наиболее широко
распространенного припоя ПОС,61 (Sn 61/Pb 39) составляет 260 ± 10°С,
и время пайки 1–3 с. Пониженная температура приводит к недостаточ,
ной жидкотекучести припоя, плохому смачиванию, образованию «хо,
лодной пайки». Завышенная температура вызывает обугливание флю,
са, выгорание компонентов припоя, эрозию материала паяльного жала.
Детали во время пайки фиксируются скручиванием проводников, разме,
щением элементов в месте монтажа при помощи пинцета или аналогич,
ного инструмента и т. д. Для охлаждения элементов во время пайки (при
необходимости) применяют испарительный метод (нанесение дозы испа,
ряющегося вещества), обдув газом, специальные термоэкраны.
Закачивается процесс пайки очисткой соединения от остатков
флюса и визуальным контролем качества.
Часто в практике поверхностного монтажа пайка многовыводных
микросхем, особенно с шагом выводов менее 0,5мм, вызывает боль,
шие проблемы и является крайне трудоемкой процедурой. Основной
причиной этих затруднений является практика пайки каждого вы,
вода в отдельности.
Однако уже в течение ряда лет существует эффективный метод
монтажа подобных компонентов – паяльник, оснащенный жалами
a)
б)
в)
г)
Рис. 2.8. Последовательность процесса пайки паяльником: а – нагрев
вывода и контактной площадки; б – введение припоя с флюсом
в зону пайки: в – растекание припоя; г – кристаллизация
38
типа «миниволна» (в некоторых источниках – «микроволна»).
С помощью этих жал достигается пайка всех выводов по стороне мик,
росхемы одним проходом инструмента – паяльника (рис. 2.9).
Запатентованный фирмой РАСЕ наконечник типа «миниволна»
(Mini,WaveТМ) отличается наличием резервуара для припоя в виде
углубления особой формы на рабочей поверхности жала. Жала этого
типа различаются по диаметру рабочей части и типу крепления, но
идентичны по принципу действия. Профиль углубления, толщина
стенок и барьерный угол рассчитаны так, чтобы капля припоя в нем
удерживалась силами поверхностного натяжения, и эти же силы уда,
ляли излишки припоя с пропаиваемых выводов, исключая образо,
вание «мостиков» между ними и выполняя тем самым функцию ав,
томатической дозировки припоя, а именно: при «омывании» мест
пайки избыточным количеством припоя, под действием сил поверх,
ностного натяжения на выводах компонентов и контактных площад,
ках осаждается ровно столько припоя, сколько необходимо и доста,
точно для каждого соединения. И процесс, и результат абсолютно ана,
логичны пайке на обычной «волновой» машине. Изящество данного
метода в том, что не усложняется конструкция (как в случае паяльника
с системой подачи припоя), паяльник остается легким и эргономичным
инструментом. Наконечники имеют высокую износостойкость и отли,
чаются сравнительно невысокой ценой. Преимущества метода:
– оптимальные условия пайки: каждый контакт прогревается не
более 1–2 с, что исключает образование интерметаллического слоя,
снижающего качество и прочность соединения;
– получается требуемая стандартами форма мениска в точке со,
единения вывода элемента с контактной площадкой платы;
– не требуется точная дози,
ровка припоя, так как он сам рас,
пределяется по контактам в оп,
12342567897 59789
тимальном количестве;
– универсальность: напри,
мер, для пайки корпусов PLC до,
статочно развернуть «минивол,
ну» в вepтикaльную плоскость;
Последовательность дейст,
вий при монтаже пайкой компо,
774524 34937
нентов на ПП методом «мини,
волна» показана на рис. 2.10,
где а –установка микросхемы на
Рис. 2.9. Принцип пайки жалом
плату; б – жало «микроволна» с
«миниволна»
выемкой на конце; в – позицио,
39
a)
б)
в)
123456789 2
9
6
26 2
6 66
Рис. 2.10. Процедура пайки жалом «миниволна»
нированная микросхема. Действуя антистатическим вакуумным ма,
нипулятором (например, Vampire), микросхему устанавливают на
предварительно очищенные и залуженные (с помощью того же жала
«миниволна») контактные площадки. Для закрепления микросхе,
мы можно припаять два диагонально противоположных вывода тон,
ким жалом. Затем приступают к групповой пайке «миниволной»
каждой из четырех линеек выводов корпуса. Пайка занимает всего
пару минут – гораздо меньше, чем предварительная подготовка. Ли,
нейку выводов микросхемы флюсуют, используя жидкий флюс или
крем,флюс, не требующий отмывки. Углубление на конце жала «ми,
ниволна» заполняют припоем с небольшой горкой, а затем медленно
(так, чтобы на каждый вывод в линейке приходилось не менее полу,
тора секунд), почти без нажима перемещают жало перпендикулярно
выводам микросхемы от начала линейки и до конца. Оптимальная
температура пайки (точнее, индицируемое значение температуры тер,
модатчика) при использовании различных модификаций жала «ми,
ниволна» составляет от 235°С (жало TechWell) до 285°С (тонкое жало
MicroWell).
Принципиальное значение имеет стабильность температуры при
перемещении жала от начала до конца каждой линейки выводов –
это выгодно отличает данный инструмент от обычного паяльника.
Качество пайки можно оценить визуально и на слух, проводя тон,
ким пинцетом по линейке припаянных выводов и вслушиваясь в из,
даваемый звук. Почти такая же техника используется для пайки
микросхем в корпусе PLCC ножевидным жалом (с боковой рабочей
поверхностью) при температуре 250°С.
Данный способ пайки при монтаже и ремонте узлов в условиях
мелкосерийного и единичного производства РЭА находит все более
широкое распространение, несмотря на сравнительно высокую цену,
в которую обходится замена обычного паяльника на паяльную стан,
цию с представленным инструментом. Решение о замене зависит от
того, насколько технологически сложные и дорогостоящие изделия
производятся (ремонтируются) на предприятии, и как важна при этом
40
производительность труда. Достаточно одного примера, чтобы ощу,
тить масштабы экономий ресурсов и увеличения производительнос,
ти: на предприятии при пайке микросхем в корпусе PQFP,208 с ша,
гом выводов 0,5 мм применение паяльной станции ERSA с жалом
«миниволна» ускоряет выполнение работ в двадцать раз по сравне,
нию с раздельной пайкой выводов; суммы затрат на припой умень,
шаются в десять раз; расход паяльных жал снижается в четыре раза – и
все это при высоком качестве пайки. Нетрудно оценить сроки окупа,
емости паяльной станции по цене около 250 дол.: на Западе оно со,
ставляет в среднем полторы недели. В России с учетом низкой оплаты
труда радиомонтажника срок окупаемости более продолжителен, но
даже с учетом этого фактора внедрение дорогостоящего инструмента
становится выгодным для предприятия решением.
Независимо от высокого уровня автоматизации сборочно,монтаж,
ных работ, по,прежнему остаются актуальными ручные паяльные и
ремонтные станции фирм Расе, Weller (Cooper Tools), ERSA. К этому
ряду прибавились фирмы Kohler и MARTIN. Безусловно, ремонтные
и наладочные работы должны быть снабжены всеми видами инстру,
ментов для демонтажа, снятия лака, напайки перемычек, очистки,
подлакировки и т.д.
Групповые способы пайки компонентов
Для пайки компонентов на коммутационных платах разработано
и опробовано в производстве множество различных автоматизиро,
ванных методов:
– пайка волной припоя;
– контактная пайка групповым паяльником;
– пайка на горячей плите;
– в паровой фазе (конденсационная пайка);
– нагретым газом (конвекционная);
– резистивный нагрев проходящим электрическим током (пайка
сдвоенным электродам);
– инфракрасным (ИК) излучением;
– лазерным излучением.
В табл. 2.2 приведены основные технологические характеристи,
ки рассматриваемых способов пайки. Из таблицы видно, что все они
делятся на две группы – это способы пайки, обеспечивающие общий
нагрев всего паяемого модуля, и способы пайки, обеспечивающие
локальный нагрев только паяных соединений.
Противоречие между производительностью процесса пайки и по,
лучаемой надежностью паяных соединений удается разрешать в ре,
41
Таблица 2.2. Основные технологические характеристики способов
групповой пайки
№
п/п
Способ пайки
Вид нагрева
Температура
пайки Т, °С
Время
пайки t, с
Локальный
220–250
0,3–0,5
2
Параллельными
электродами
Групповым паяльником
То же
320–340
0,8–1,0
3
В жидком теплоносителе
Общий
250–260
15–20
4
Волной припоя
То же
220–265
1,5–3,5
5
Kонденсационная
–"–
215–230
40–90
Локальный
220–250
0,5–1,0
1
7
Сфокусированным
ИK,излучением
Лазерная непрерывная
8
Лазерная импульсная
6
В инфракрасной
конвейерной печи
10 Струей горячего газа
Нагретым газом
11
(конвекционная)
9
То же
220–250
0,3–0,8
–"–
250–300
0,05–0,1
Общий
205–210
20–60
Локальный
300–400
2–5
Общий
205–230
20–40
зультате перехода от контактных способов нагрева к бесконтактным.
При этом наблюдается закономерный переход в использовании энер,
гопроводящей среды от твердого тела (жало паяльника) к жидкости
(пайка волной припоя и в теплоносителе), затем к использованию
паров жидкостей (конденсационная пайка), электромагнитных по,
лей (пайка инфракрасным и лазерным излучением) и нагретого газа
(конвекционная пайка).
Групповые способы пайки компонентов со штыревыми выводами
Пайка элементов со штыревыми выводами, установленными на
ПП, в условиях поточного производства проводится двумя основны,
ми методами: погружением и волной припоя.
Различные варианты реализации метода пайки погружением при,
ведены на рис. 2.11. При пайке ПП со смонтированными элементами
на 2–4 с погружается в расплавленный припой на глубину 0,4–0,6
ее толщины, что приводит к капиллярному течению припоя и запол,
нению им монтажных отверстий (рис. 2.11, а). Одновременное воз,
действие температуры на всю поверхность платы приводит к ее пере,
греву и термоудару. Это вызывает повышенное коробление ПП, что
ограничивает их максимальный размер 150 мм с соотношением сто,
42
a)
б)
д)
е)
123°
в)
г)
ж)
з)
Рис. 2.11. 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
рон 1:2. Чтобы ограничить зону действия припоя, на плату с мон,
тажной стороны наносят специальную защитную маску (бумажную,
эпоксидную), в которой предусмотрены отверстия под контактные
площадки. С этой же целью температуру пайки выбирают более низ,
кой, что также уменьшает потери припоя из,за окисления. Продук,
ты окисления скапливаются на поверхности, и перед каждой пайкой
их удаляют металлическим скребком. Частицы растворителя флю,
са, попавшие в припой, интенсивно испаряются, что приводит к ло,
кальным непропаям. Для уменьшения числа непропаянных соеди,
нений применяют пайку погружением с наклоном (5–7°) платы
(рис. 2.11, б) или на плату подают механические колебания часто,
тою 50–200 Гц и амплитудой 0,5–1 мм (рис. 2.11, г).
Наиболее совершенным способом реализации пайки погружением
является пайка протягиванием (рис 2.11, в), при которой ПП укла,
дывается в держатель под углом около 5°, погружается в ванну и про,
тягивается по зеркалу припоя. Впереди держателя имеется закреп,
ленный скребок, который очищает поверхность зеркала. Создаются
благоприятные условия для удаления флюса и излишков припоя.
Время пайки протягиванием увеличивается до 10 с.
Избирательная пайка (рис. 2.11, е) обеспечивает выборочную по,
дачу припоя к паяемым контактам через специальную фильеру, из,
готовленную из нержавеющей стали. Между платой и фильерой зажи,
мается слой термостойкой резины. При избирательной пайке уменьша,
ется температура платы, снижается нагрев радиоэлементов и расход
припоя. Применяют ее в условиях массового производства, когда изго,
товление специальной фильеры экономически целесообразно.
43
Высокое качество пайки обеспечивает способ погружения платы в
заполненную сеткой (например, из никеля с размером окон 0,2 × 0,2 мм)
ванну (рис. 2.11, з), которая превращается в капиллярный пита,
тель. При соприкосновении платы с сеткой припой выдавливается
через ее ячейки и под давлением капиллярного эффекта заходит в
зазор между выводами и металлизированными отверстиями. При
обратном движении ванны избыток припоя затягивается капилля,
рами сеточного набора, что предотвращает образование сосулек. Раз,
личие в длине выводов не сказывается на качестве пайки из,за гибко,
сти сетки.
Пайка волной припоя является самым распространенным мето,
дом групповой пайки для компонентов со штыревыми выводами. Она
заключается в том, что плата прямолинейно перемещается через гре,
бень волны расплавленного жидкого припоя. Ее преимуществами
являются: высокая производительность, возможность создания ком,
плексно,автоматизированного оборудования, ограниченное время
взаимодействия припоя с платой, что снижает термоудар, коробле,
ние диэлектрика, перегрев элементов. Главным условием высокой
разрешающей способности пайки волной припоя, позволяющей без
перемычек, мостиков и сосулек припоя паять платы с малыми зазо,
рами между печатными проводниками, является создание тонкого и
равномерного слоя припоя на проводниках.
Процесс пайки состоит из трех этапов: вхождение в припой, кон,
тактирование с припоем и выход из припоя. На первом этапе направ,
ление скорости фонтанирования волны способствует удалению па,
ров флюса из зоны реакции как при симметричной двусторонней, так и
при направленной односторонней параболической волне (рис. 2.12, а).
На втором этапе время пайки определяет полоса растекания при,
поя по плате в сочетании со скоростью конвейера. При двусторонней
волне это время больше за счет достижения более полного заполне,
ния припоем металлизированных отверстий. Увеличение времени
взаимодействия, однако, повышает толщину припоя на печатных
проводниках до некоторого предела.
a)
б)
в)
г)
д)
е)
Рис. 2.12. Профили волны при пайке: а – односторонняя; б – дельта-волна; в – отраженная; г – плоская; д – лямбда-волна; е – двойная
волна
44
Окончательное формирование толщины слоя происходит на вы,
ходе платы из волны припоя. При этом в односторонней волне пре,
дельная составляющая скорости фонтанирования вычитается из ско,
рости конвейера, смывает излишки припоя и утончает оставшийся
слой припоя.
В двусторонней волне скорость складывается со скоростью кон,
вейера и способствует образованию наплывов. Таким образом, в дву,
сторонней волне необходимо стремиться к повышению угла накло,
на, увеличению крутизны волны и уменьшению скорости истечения
припоя. При односторонней волне более благоприятными являются
горизонтальное положение конвейера, пологая форма и возможно
большая скорость циркуляции припоя.
Глубина «ныряния» обычно составляет 0,6–0,8 толщины платы,
но может достигать 1,5–2 толщины с носовым козырьком в передней
части кассеты.
Дельта,волна (рис. 2.12, б) характеризуется стоком припоя в одну
сторону, для чего одна стенка сопла выполнена удлиненной. Это
уменьшает окисление припоя, однако делает чувствительным изме,
нение высоты волны от напора нагнетателя припоя. Более целесооб,
разна в этом отношении отраженная волна (рис. 2.12, в). Здесь за
счет применения наклонного отражателя сопла обеспечивается удер,
жание большего количества припоя, чем при дельта,волне, а его сток
регулируется изменением угла наклона отражателя и зазором между
соплом и отражателем.
Поскольку увеличение ширины волны в направлении движения
платы дает положительный эффект, то применяют плоскую, или
широкую волну протяженностью до 70–90 мм (рис. 2.12, г). Подоб,
ная конфигурация волны позволяет добиться получения качествен,
ных соединений при меньшей температуре припоя, чем при пайке с
волной параболической формы. Такое конструктивное решение ис,
пользовано в установке пайки фирмы Hollis (США). Это позволило
увеличить скорость пайки с 0,6–1,2 до 3 м/мин по сравнению с пай,
кой волной параболической формы.
Лямбда,волна (рис. 2.12, д) получается при использовании на,
садки сложной формы. Форма волны и ее динамика позволяют полу,
чить на входе платы в припой ускоренный поток припоя, обладаю,
щий хорошим смачивающим действием. В зоне выхода достигается
нулевая относительная скорость платы и припоя, а постепенное уве,
личение угла между платой и поверхностью припоя исключает обра,
зование наплывов и сосулек. Такая форма волны позволяет вести
качественную пайку многослойных плат с плотным монтажом.
45
Концепция лямбда,волны предложена фирмой Electrovert (Канада).
На базе лямбда,волны указанной фирмой получена вибрирующая
волна припоя – омега,волна за счет размещения вибрирующего эле,
мента в окне сопла, через которое подается припой. Вибрация эле,
мента создается с помощью электромагнитного преобразователя, рабо,
тающего на промышленной частоте с изменяемой амплитудой до 3 мм.
Омега,волна при скорости конвейера 1,2 м/мин обеспечивает запол,
нение металлизированных отверстий ПП на уровне 99%.
Для образования волны припоя в установках преимущественно
используют механические нагнетатели, давление воздуха или газа,
ультразвуковые колебания и электромагнитные нагнетатели.
Угол наклона конвейера в установках пайки волной припоя мо,
жет регулироваться в пределах 5–9°, оптимальный угол наклона,
обеспечивающий стекание избытка припоя и препятствующий обра,
зованию перемычек и сосулек припоя, составляет 7° [7].
Скорость конвейера выставляется с учетом ритма работы всей про,
изводственной линии, температуры предварительного нагрева и време,
ни контакта печатной платы с волной припоя. В общем случае для обес,
печения хорошего качества пайки рекомендуется выставлять скорость
в пределах 0,9–1,5 м/мин. Перед пайкой печатная плата покрывается
слоем флюса. Используются два основных способа флюсования.
Метод распыления считается все более популярным. Распыление
позволяет уменьшить расход флюса, обеспечить точное и равномерное
нанесение флюса, уменьшить возможность образования капель.
Давление распыления флюса подбирается опытным путем. Если
установить давление слишком низким капли флюса становятся боль,
ше и имеют нестабильный размер. В свою очередь, чрезмерно высокое
давление может приводить к отражению флюса от печатной платы,
это приводит вместо улучшения качества смачивания к большему
расходу флюса, загрязнению печатных плат и оборудования.
Необходимо проверить количество флюса нанесенного на печат,
ную плату. Флюс должен покрывать всю поверхность равномерным
слоем. В случае наличия «сухих» полос или пятен, следует немного
увеличить давление и повторить эксперимент. Если проблема не уст,
раняется путем незначительного увеличения давления, корректиров,
ку параметров процесса флюсования следует осуществлять в комби,
нации с изменением других параметров: скорости конвейера и режи,
мами подачи флюса.
При применения флюсов с высокой плотностью, таких как
VOC,free (флюсы на водной основе), давление распыления следует
увеличить на 10–20 % по сравнению с флюсами на спиртовой основе.
46
Для нанесения флюса методом пенного флюсования применяются
трубчатые фильтры, которые образуют мелкопузырчатую пену, обес,
печивающую улучшенное смачивание, особенно при сквозной метал,
лизации. Кроме того, такие фильтры обладают повышенной надеж,
ностью, меньше забиваются и даже выход из строя одного из элемен,
тов не ведет к нарушению производственного процесса.
Оптимальные условия нанесения флюса обычно достигаются при
высоте шапки пены не более 2 см, при этом следует исключить зате,
кание флюса на верхнюю сторону печатной платы.
Предварительный нагрев обеспечивает:
– подогрев подлежащих пайке электронных компонентов с целью
уменьшения термоудара;
– удаление растворителя из флюса;
– активацию флюса.
Выбор температуры предварительного нагрева зависит от конст,
рукции печатных плат, а также от температуры испарения раствори,
теля. Для флюсов на спиртовой основе общепринятыми являются
режимы, указанные в табл. 2.3.
Особенное внимание следует уделить подогреву при работе с мно,
гослойными печатными платами, который должен обеспечить каче,
ство пайки сквозных металлизированных отверстий. Изменение тем,
пературы на стадии предварительного нагрева должно осуществлять,
ся со скоростью не более 2°С/с. В случае недостаточного прогрева и
неполного удаления растворителя флюса при пайке происходит вы,
деление газов в волну припоя, это ухудшает смачивание и может при,
водить к непропаям вводов компонентов.
В современных условиях при пайке печатных плат с применением
компонентов со штыревыми выводами обычно применяются установ,
ки с двойной волной припоя (рис. 2.12, е). Вторичная волна создает,
ся несколько меньшей высоты для оплавления образующихся сосу,
лек. Температура во вторичной волне меньше, чем в основной. Одна,
ко увеличение открытой поверхности расплава способствует образо,
ванию оксидных пленок в нем.
Таблица 2.3. Выбор температуры предварительного нагрева для
флюсов на спиртовой основе
Тип печатной платы
Односторонняя
Двухсторонняя
Многослойная (до 4,х слоев)
Многослойная (более 4,х слоев)
Температура на плате, °С
80–90
90–120
105–120
110–130
47
Температура припоя в зоне пайки может устанавливаться в преде,
лах от 235 до 260°С. Более низкая температура пайки позволяет мини,
мизировать термоудар по электронным компонентам. Более высокая
температура до 260°С как правило устанавливается при пайке много,
слойных печатных плат. Для обеспечения хорошего качества паяных
соединений необходимо обеспечить суммарное время пайки в пределах
от 2,5 до 4 с. Время контакта с припоем также зависит от температуры
пайки. Например, как правило, при температуре 250°С достаточно
2,5 с, а при 235°С время пайки необходимо увеличить до 3,5 с.
Реальную температуру на поверхности печатных плат можно из,
мерить с помощью устройства измерения температурных профилей,
например Sensor Shuttle. Для установки высоты волны припоя реко,
мендуется использовать тестовые термоустойчивые стеклянные пла,
ты с миллиметровой шкалой. При оптимальной высоте волны припой
должен покрывать 1/3 толщины печатной платы. Охлаждение реко,
мендуется осуществлять со скоростью от 2 до 5°С/с с целью предотвра,
щения теплового удара по компонентам и печатным платам.
Необходимо отметить, что в последние годы пайка двойной вол,
ной припоя находит все более широкое применение при монтаже уз,
лов со смешанным монтажом, когда на печатную плату устанавли,
ваются как элементы со штыревыми выводами, монтируемые в от,
верстия, так и поверхностно,монтируемые компоненты (рис. 2.13).
В настоящее время широкое применение в технологии РЭА, осо,
бенно при изготовлении спецтехники с повышенными требованиями
к качеству и надежности, получили методы пайки концентрирован,
ными потоками энергии, достоинством которых являются высокая
интенсивность, бесконтактное воздействие источника нагрева на зону
a)
б)
Рис. 2.13. Виды установки компонентов на печатные платы: а – компоненты, монтируемые в отверстия; б – компоненты, монтируемые в отверстия и поверхностно-монтируемые компоненты
48
контактирования, ограниченная зона теплового воздействия. Раз,
работанные методы активируют не только систему «припой – паяе,
мый материал», но и процессы их физико,химического взаимодей,
ствия, что приводит к интенсификации процессов пайки.
Способы пайки компонентов при монтаже на поверхность
Современные требования к высокотехнологичным приборам и обо,
рудованию ускоряют процесс миниатюризации и повышения функ,
циональности элементной базы. Постоянно возрастает уровень слож,
ности компонентов электронного оборудования. Кардинально изме,
нился подход к созданию электронных изделий. Особое значение при,
обретают такие факторы, как габариты модулей и технологии их из,
готовления. Физические размеры выводов и расстояний между
контактами современных компонентов, выполненных по техноло,
гиям BGA и flip,chip, измеряются десятыми долями миллиметра. Осу,
ществлять монтаж таких модулей без современного автоматическо,
го оборудования становится все сложнее, а при серийном производ,
стве и высоких требованиях к качеству и надежности – и вовсе невоз,
можно. Существует масса факторов, без учета которых количество
брака на выходе может превысить 50%. Кроме того, стоимость со,
временных компонентов, устанавливаемых на печатную плату, за,
частую превышает затраты на сборку. А при неправильно подобран,
ной и реализованной технологии пайки такие дорогостоящие и чув,
ствительные элементы безвозвратно выходят из строя.
Передовые технологии пайки поверхностно,монтируемых компо,
нентов ушли далеко вперед от простого нанесения расплавленного
припоя на контакты. Не затрагивая процесс подготовки к производ,
ству, рассмотрим этапы современной технологии поверхностного
монтажа, проблемы, возникающие на этих этапах и пути их аппа,
ратного устранения. Пайку элементов при поверхностном монтаже
проводят следующими методами: нагретым V,образным инструмен,
том, токами высокой частоты (сдвоенным электродом), концентри,
рованными потоками энергии (лазерным излучением и проч.), горя,
чим газом, в парах специальной жидкости, ИК,излучением и др.
Первым звеном в технологической цепочке автоматизированной пай,
ки оплавлением является нанесение паяльной пасты, затем наступает
этап установки монтируемых компонентов (см. подразд. 3.1).
В современных технологических линиях элементы устанавлива,
ются двумя станками. Первый – высокоскоростной – предназначен
для установки основной массы комплектующих: дискретных компо,
нентов и большинства микросхем. Точность таких аппаратов долж,
на быть не менee 30 мкм. Важными моментами здесь являются коли,
49
чество головок для одновременной установки компонентов и нали,
чие автоматизированного магазина для смены головок (под разные
типы корпусов). Кроме того, нормой становится наличие функции
распознавания элементов «на лету» лазерной видеокамерой с авто,
матической корректировкой положения элемента в пространстве,
проверкой габаритов, функцией исключения бракованных комплек,
тующих. Все это определяет скорость и, соответственно, себестои,
мость монтажа. Второй аппарат – высокоточный и предназначен для
установки микросхем с высокой точностью и малыми размерами вы,
водов (BGA и Flip,Chip), а также для установки нестандартных ком,
понентов, например разъемов. Требования к точности такого станка
гораздо выше и составляют порядка 15 мкм.
Конечно, установить BGA,компоненты может и высокоскорост,
ной станок. Гораздо точнее, чем это делается обычной ручной паяль,
ной станцией. Однако стабильно высокое качество может обеспечить
лишь прецизионный аппарат, снабженный специальной системой
лазерных видеокамер, позволяющей с высокой точностью определять
взаимоположение элементов и платы. У обоих «установщиков» сто,
лы с емкостями для элементов должны быть сменными, что обеспе,
чивает быструю перенастройку производства на другой тип изделия.
Это особенно важно в России, где основная масса модулей на сегод,
няшний день имеет серийность порядка 100–1000 плат. После про,
ведения контроля установки компонентов наступает этап собствен,
но пайки электрических соединений.
Пайка сдвоенным электродом аналогична сварке сдвоенным элек,
тродом (см. рис. 2.4). В этом способе производится последователь,
ная пайка каждого вывода электронного компонента в отдельности.
Отличие состоит в том, что при пайке на контактируемую поверх,
ность предварительно наносится доза припоя, рабочая температура
и, следовательно, электрическая мощность ниже, чем при сварке,
так как не требуется расплавлять контактируемые материалы.
Принцип пайки V,образным электродом показан на рис. 2.14. При
этом за один рабочий ход производится одновременная пайка выводов
ИМ с одной, двух, либо четырех сторон (в зависимости от оборудования).
Указанные способы пайки в настоящее время не находят широко,
го применения в силу целого ряда существенных недостатков:
– сравнительно низкая производительность;
– необходимость периодической зачистки и смены инструмента;
– возможность пайки только компонентов с планарными выводами;
– принципиальная невозможность пайки компонентов с J,образными
выводами и выводами, расположенными под корпусом (BGA, Flip,chip).
50
11
22
2
1
3
4
5
6
Рис. 2.14. Принцип пайки V-образным электродом: 1 – интегральная микросхема (плоский корпус); 2 – держатель электродов;
3 – V-образный электрод; 4 – вывод интегральной микросхемы
(облуженный); 5 – печатный проводник (облуженный);
6 – материал основания
В настоящий момент наибольшее распространение в промышлен,
ности при использовании ТПМ получили следующие методы оплавления дозированного припоя: конденсационная пайка, пайка инфра,
красным (ИК) излучением, лазерная пайка, конвекционная пайка.
Пайка оплавлением в технологиях поверхностного монтажа су,
ществует уже два десятка лет. Фундаментально она за это время не
изменилась и является наиболее современным и эффективным спо,
собом пайки печатных узлов с применением технологии поверхност,
ного монтажа. Разработка и применение новых типов компонентов и
паяльных паст предъявляет новые требования к технологии пайки.
Правильный выбор оборудования и технологических режимов по,
зволяет оптимизировать процесс пайки, повысить производитель,
ность и качество паяных соединений, сократить количество дефек,
тов. Конвекционная и ИК,пайка оплавлением, конденсационная
пайка, локальная лазерная пайка и ручные виды паек с различными
способами нагрева останутся превалирующими в будущих техноло,
гиях монтажа.
Пайка лазерным излучением характеризуется локальностью энер,
гоподвода, высокой скоростью нагрева и возможностью точного до,
зирования энергетического вклада. Пайка с помощью излучения ла,
зера отличается от остальных способов пайки расплавлением дози,
рованного припоя тем, что места соединений выводов компонентов с
контактными площадками ПП прогреваются не одновременно, а пос,
ледовательно. Главное достоинство лазерной пайки заключается в
том, что пучок излучения хорошо фокусируется, возможна точная
51
дозировка энергоподвода, поэтому данный метод особенно эффекти,
вен при пайке термочувствительных компонентов и корпусов с ма,
лым шагом выводов.
Для спецтехники характерны повышенные требования к надеж,
ности в сочетании с ограниченными габаритами узлов, требующими
значительного уплотнения компоновки. Такая плотность монтажа
трудно реализуема с помощью наиболее освоенных методов пайки
расплавлением дозированного припоя, поскольку главным здесь яв,
ляется качество и надежность паяных соединений, а не высокая про,
изводительность, характерная для производства товаров народного
потребления. Лазерная пайка позволяет снизить процент брака при
контактировании до 0,5–2% [5], кроме того, имеется возможность
проведения допайки отдельных выводов, а также монтажа ЭРЭ и ИМ,
не установленных ранее из,за отсутствия комплектации и т. п.
Широкие возможности регулирования энергетического вклада,
легкость автоматизации процесса, способность оборудования к быс,
трой переналадке делают метод лазерной пайки наиболее оптималь,
ным в условиях мелкосерийного и единичного производства, отлича,
ющихся широкой номенклатурой изготавливаемых узлов.
Недостатками этого способа пайки являются высокое энергопотреб,
ление и невозможность значительного увеличения производительности.
Достоинствами пайки с использованием инфракрасного нагрева
(ИК) являются также отсутствие контакта источника нагрева с при,
поем, высокая скорость и равномерность нагрева, компактность и
малогабаритность оборудования [1, 3]. Пайка ИК,излучением про,
изводится в печах конвейерного типа с двумя зонами нагрева и одной
зоной охлаждения. Роль первой зоны заключается в подсушке па,
яльной пасты и предварительном нагреве изделия, во второй зоне
происходит оплавление паяльной пасты, в третьей – охлаждение
изделия (рис. 2.15). Каждая из указанных зон может состоять из
нескольких термоизолированных отсеков.
Существенным недостатком способа является зависимость нагре,
ва конструктивных элементов изделия от их способности поглощать
ИК,излучение, при этом возможен недопустимый перегрев. Поэтому
возможность применения данного способа пайки требует изучения в
каждом конкретном случае в зависимости от конструкции печатной
платы и корпусов компонентов.
Свободным от недостатков, свойственных ИК,пайке, является
способ пайки в паровой фазе теплоносителя (конденсационная пайка) [1, 3]. Сущность способа заключается в погружении изделия в
зону насыщенного пара над кипящей жидкостью. При этом пар быс,
тро конденсируется на всю поверхность более холодного изделия и
52
0
!
8:
10 A
0
"5<?5@0BC@0 ?09:8 205225 !
200
0
"5<?5@0BC@0 ?;02;5=8O 179183 !
0
:B820F8O D;NA0 150 !
100
2,0 4,0 0 !/A
30 90 A
0
0,5 1,0 ! /A
>2K9 ?@>D8;L ?09:8
E;0645=85
0
3,0 4,0 !/A
«"@048F8>==K9
»
?@>D8;L ?09:8
60
120
180
240
300
C
Рис. 2.15. Термопрофили конвейерных печей
равномерно нагревает его до температуры пайки. После оплавления
припоя изделие выносится из зоны насыщенного пара и охлаждается.
В качестве жидких теплоносителей используются фторированные
инертные жидкости с температурой кипения 230, 215°С и ниже. По,
скольку температура насыщенного пара равняется температуре кипе,
ния жидкости, то и температура пайки определяется подбором жидко,
сти. Количество энергии для теплопередачи регулируется без измене,
ния температуры. Основными недостатками этого процесса являются
высокая стоимость теплоносителей, большой их расход вследствие ле,
тучести, что требует применения специальных мер для предотвраще,
ния потерь.
Около 10 лет назад самым распространенным оборудованием для
пайки были печи с инфракрасным методом нагрева. Однако системы
данного типа обладают существенными недостатками: теневые эффек,
ты, неравномерный нагрев темных и светлых корпусов и, наконец, не,
возможность пайки новых типов компонентов (BGA, Flip,Chip и др.).
Применение современных конвекционных печей позволяет решить
все вышеуказанные проблемы. Такие печи обеспечивают более эф,
фективные температурные режимы пайки. Горячий воздух обеспечи,
вает равномерный нагрев без повреждения печатных плат и элект,
ронных компонентов.
Печатная плата после нанесения паяльной пасты и установки ком,
понентов поступает в конвейерную печь (конвекционную или инфра,
красную), где происходит непосредственный процесс создания пая,
ного соединения. При пайке элементов важно избегать окисления
контактов. Для этого процесс оплавления припоя должен происхо,
53
дить в азотной среде. Таким образом гарантируется отсутствие взаи,
модействия с кислородом, и, следовательно, достигается долговеч,
ность конечного изделия. Для каждого типа припойной пасты необ,
ходим определенный температурно,временной режим. При этом бо,
лее низкая температура в определенный момент пайки может приве,
сти к ненадежному монтажу элемента, т.е. к разрыву контакта меж,
ду дорожками на плате и некоторыми контактами элемента. В то же
время превышение температуры даже на 20°С способно привести к
выводу из строя компонента. Для точного соблюдения температур,
ного профиля у конвейерных печей должно быть около десяти секто,
ров нагрева и охлаждения с возможностью индивидуального управ,
ления. Если модули собираются по технологии двустороннего мон,
тажа (double reflow), то обязательным условием является наличие
системы охлаждения снизу. В противном случае при пайке второй
стороны массивные элементы могут отвалиться с нижней, уже про,
паяной стороны платы. Кроме того, у конвекционных печей жела,
тельно наличие дополнительного инфракрасного нагревателя. Он
используется для выведения теплоемких печатных плат и компо,
нентов на пик температурного профиля с заданной скоростью.
Режимы пайки печатных узлов определяются температурным про,
филем. На рис. 2.15 приведен пример «традиционного» температур,
ного профиля пайки. Такой профиль пайки оптимизирован для пе,
чей с инфракрасным методом нагрева.
В современных конвекционных печах при использовании паяль,
ных паст с флюсами, не требующими отмывки (No Clean), часто при,
меняют новый тип профиля пайки (рис. 2.15) [8].
Рассмотрим параметры четырех основных стадий процесса пайки.
I. Стадия предварительного нагрева позволяет снизить тепловой
удар на электронные компоненты и печатные платы. В процессе пред,
варительного нагрева происходит испарение растворителя из паяль,
ной пасты. При использовании паяльных паст на основе наиболее
распространенных сплавов Sn62/Pb36/Ag2, Sn63/Pb36 и Sn61/Pb39
предварительный нагрев рекомендуется осуществлять до температу,
ры 95–130°С, скорость повышения температуры для «традиционно,
го» профиля 2–4°С/с, для нового 0,5–1°С/с.
Высокая скорость предварительного нагрева в «традиционном»
профиле может приводить к преждевременному испарению связую,
щего, входящего в состав паяльной пасты, и к целому ряду дефек,
тов: к снижению активности флюса, увеличению вероятности повреж,
дения компонентов за счет теплового удара, разбрызгиванию шари,
ков припоя за счет интенсивного испарения связующего, возникно,
вению перемычек припоя за счет изменения вязкости пасты.
54
II. Стадия стабилизации позволяет активизировать флюс,связку
и удалить избыток влаги из припойной пасты. Повышение темпера,
туры на этой стадии происходит очень медленно. Стадию стабилиза,
ции также называют стадией температурного выравнивания, так как
эта стадия должна обеспечивать равномерный нагрев всех компонен,
тов на плате до одинаковой температуры.
Максимальная активация флюса паяльной пасты происходит
обычно при температуре около 130–150°С. Если стадия стабилиза,
ции проводится не достаточное время, результатом могут быть де,
фекты типа холодная пайка и эффект «надгробного камня» (собира,
ние припоя сверху на выводе компонента и незаполнение зазора меж,
ду выводом и контактной площадкой). Подобные дефекты наблюда,
ются, как правило, в печах с инфракрасной системой нагрева.
Рекомендуемое время стабилизации для «традиционного» профи,
ля составляет 90–150 с. В новом профиле считается достаточным
30 с. В конце зоны стабилизации температура обычно достигает
150–170°С. В случае длительного времени и/или высокой темпера,
туры стадии стабилизации флюс может потерять защитные свойства,
его активность снижается, это приводит к ухудшению паяемости и
разбрызгиванию шариков припоя на стадии пайки.
III. Стадия оплавления, на которой температура повышается до
значения расплавления припойной пасты, происходит формирова,
ние паяного соединения. Для исключения чрезмерного роста интер,
металлического соединения максимальная температура пайки дол,
жна на 30–40°С превышать точку плавления паяльной пасты и со,
ставлять 205–225°С (на плате). Время, в течение которого печатная
плата находится выше точки плавления припойной пасты
(179–183°С), должно быть в пределах 30–90 с, предпочтительно не
более 60 с. Скорость повышения температуры в зоне оплавления дол,
жна составлять 2–4°С/с. Необходимо помнить, что низкая темпера,
тура пайки обеспечивает слабую смачиваемость, особенно для ком,
понентов с плохой паяемостью.
IV. Стадия охлаждения важна наравне с другими стадиями. Для
обеспечения максимальной прочности паяных соединений скорость
охлаждения должна быть максимальной. В то же время высокая ско,
рость охлаждения может вызвать термоудар на электронные компо,
ненты. Рекомендуемая скорость охлаждения 3–4°С/с до 130°С.
Термовременные профили оплавления обычно рекомендуются по,
ставщиками паяльных паст. Минимальную температуру выбирают
исходя из температуры плавления эвтектического припоя так, что,
бы произошло полное смачивание спаиваемых поверхностей для об,
разования правильной паяной галтели. При этом приходится учи,
55
тывать размер сферических частиц припоя и характер флюса в па,
яльной пасте, активность спаиваемых поверхностей, теплоемкость
компонентов, глубину пропая. Для эвтектического припоя Sn63/Pb37
минимальная температура плавления T1 составляет 200–225°С. Для
других сплавов минимальная температура T1 приблизительно на
15–20°С выше температуры ликвидуса.
Верхнее ограничение температуры пайки T2 накладывает макси,
мально возможная температура кратковременного нагрева компонен,
тов, специально устанавливаемая в их сертификатах, если это огра,
ничение оправдано низкой устойчивостью компонентов к режимам
пайки. С учетом метрологической погрешности верхний предел на,
грева устанавливают на 5°С меньше значения температуры, приня,
той для самого «нежного» компонента. Если наличие таких компо,
нентов не дает возможности установить нормальный температурный
диапазон пайки, компоненты устанавливают и паяют вручную или
локально лазером.
Превышение температуры T2 и времени пребывания в зоне плавления
не только опасно для «нежных» компонентов, но и чревато возможностью
интенсивного образования интерметаллидов, термодеструкции материа,
лов плат и компонентов, снижающих надежность электронных изделий.
Очевидно, что температурный градиент, устанавливающийся в
печи, должен укладываться в диапазон (T2–T1). Чтобы не выйти из
этих пределов, в печи создают, как уже говорилось выше, несколько
последовательных зон, так чтобы скорость нагрева,охлаждения при
движении конвейера не превышала 4°С/с.
При пайке компонентов на нижней стороне платы трудно рассчи,
тывать, что тяжелые компоненты удержатся за счет поверхностного
натяжения припоя. Для определения необходимости их приклейки
обычно руководствуются упрощенной оценкой: отношение массы
компонента в граммах к суммарной монтажной площади компонен,
та в квадратных дюймах не должно превышать 30 [9].
Пайка в атмосфере азота стала обычным явлением в производ,
ствах, где желают достичь высокого уровня надежности. Использо,
вание нейтральной среды обусловлено недостаточной активностью
флюсов при растворении окислов в течение всего цикла пайки, тер,
моокислительной деструкцией материалов электроизоляционных
элементов конструкций электронных модулей. Пайка в атмосфере
азота оставляет гораздо меньше дефектов и в меньшей степени трав,
мирует материалы. А если говорить об использовании дешевых фи,
нишных покрытий печатных плат на основе opгaничecкиx ингиби,
торов (OSP – organic solderability preservatives), то повторная пайка,
которая бывает нужна для второй стороны платы, особенно нужда,
56
ется в нейтральной среде для предотвращения термодеструкции OSP
и окисления поверхности монтажных площадок. Конечно, исполь,
зование азота требует организации станции непрерывного газоснаб,
жения, но альтернативой ему может быть только обильное нанесе,
ние флюса с относительно большим объемом сухого остатка, требую,
щего тщательной отмывки и соответствующих расходов на оборудо,
вание, моющие жидкости и утилизацию последних.
Окончательный выбор режимов производится технологом исходя из
конструкции печатной платы, типа и размеров компонентов, количе,
ства компонентов на печатной плате, особенностей используемого обо,
рудования, результатов экспериментальных паек, типа паяльной пас,
ты. Следует также учитывать, что реальная температура на плате в
процессе пайки будет на 20–30°С ниже установленной в печи.
Помимо перечисленных требований к оборудованию, ключом к обес,
печению повышенной надежности производства является соблюдение
современных технологических норм. В соответствии с ними производ,
ственное помещение должно быть оснащено системой поддержания кли,
мата, автономной системой подачи очищенного сжатого воздуха. Учи,
тывая, что электронные компоненты восприимчивы к электростатичес,
ким зарядам, крайне важно соблюдать нормы электростатической зашиты. Покрытие пола должно быть антистатическим, необходимо ис,
пользовать специальные халаты, обувь, антистатические браслеты,
специальную тару для компонентов и т.д. Брак из,за отсутствия элект,
ростатической защиты может достигать 35 %. Поддержание стабильно
высокого качества продукции – главная задача любого производства.
Контроль качества и дефекты паяных монтажных соединений
в узлах радиоэлектронных систем управления
Контроль при выполнении монтажных соединений включает на,
блюдение за соответствием технологического процесса требованиям
документации, в том числе материалов, режимов, а также оценку
качества соединений. Оценка внешнего вида производится в сравне,
нии с эталонными образцами. Пайка должна быть гладкой и блестя,
щей, без посторонних включений, с правильно оформленными гал,
телями, а сварка – с заданной степенью обжатия выводов. Этому виду
контроля подвергаются все соединения.
Визуальным осмотром могут быть выявлены такие дефекты пая,
ных соединений, как непропай, перемычки, сосульки, натеки при,
поя, холодная пайка, прилипание припоя к поверхности платы, тре,
щины, белый и темный осадки на плате (рис. 2.16). В ряде случаев
проведение визуального контроля затруднено, например при монта,
же ИМ в корпусах типа BGA. В современном производстве при прове,
57
a)
в)
б)
г)
д)
е)
Рис. 2.16. Виды дефектов паяных соединений: а – непропаи; б – перемычки; в – сосульки; г – поры; д – трещины; е – наплывы
дении данного типа контроля применяется целый ряд специальных
приспособлений и оборудования – от простого стереомикроскопа до
сложных оптических и рентгеноскопических систем.
Непропай чаще всего возникает из,за несоблюдения соотношения
размеров между диаметром вывода dв и отверстием в плате dотв
(Т–Тпл)(dотв–dв) = 15–17,
где Т – температура припоя в ванне; Тпл – температура плавления
припоя.
Увеличение температуры припоя увеличивает его теплосодержа,
ние и обеспечивает проникновение в более узкие зазоры. Минималь,
ный зазор для металлизированных отверстий составляет 70–100 мкм,
для неметаллизированных (dотв – dв) ≤ 0,25 мм. Другой причиной
непропаев является наличие оксидов в припое и истощение олова в
ванне (при пайке протягиванием и волной). Скорость окисления в
перекачиваемой ванне в 18 раз выше, чем в спокойной, при этом про,
исходят следующие реакции окисления и восстановления:
Pb+l/2O2→РbО
Sn+l/2O2®SnO
PbO+SnO→Pb+SnO2
Так как олово имеет большее «сродство» к кислороду, чем свинец, то
оксидный слой обогащается оловом, а ванна обедняется им. Поэтому в
паяльную ванну должен добавляться припой, обогащенный оловом.
В системах с волновой пайкой применяются кремнийорганические
масла (ТП,22) для подачи на волну с целью восстановления окислов
SnO2+4RCOOH→(RCOO–)4Sn+2H2O
РbО+2RCOOH®(RCOO–)2Pb+H2O
Однако металл все же находится в связанном состоянии, поэтому
коррекция путем добавления свежего припоя необходима.
58
Третьей причиной непропаев является загрязнение припоев при,
месями таких металлов, как цинк, алюминий, кадмий, которые не
могут быть устранены коррекцией. Эти примеси увеличивают вяз,
кость припоя, замедляют проникновение припоя в зазоры и вызыва,
ют непропаи. Полная замена припоев в ванне проводится при превы,
шения содержания кадмия более 0,005%, а цинка и алюминия –
0,001%. Медь допускается в количестве не более 0,5%.
Белый осадок на платах может возникнуть из,за несовместимости
флюса и материала ПП. Удаляется он промывкой в подогретой воде с
применением щеток. Темный осадок является результатом непра,
вильного использования флюса. Сильный предварительный подогрев
плат вызывает потемнение остатков канифольных флюсов. Кислот,
ные флюсы при их плохой отмывке вызывают также потемнение на
поверхности плат, которые по прошествии времени невозможно уда,
лить. Поэтому нужна тщательная промывка плат сразу же после
пайки, иногда с применением веществ, нейтрализующих кислотные
флюсы.
Сосульки – типичный дефект при автоматизированной пайке ПП
с монтажом в отверстия, вызванный чаще всего низкой температу,
рой припоя или недостаточным временем пайки. Их устраняют пу,
тем регулировки параметров пайки, изменением угла выхода платы
из припоя, применением обдува горячим воздухом («воздушный
нож»).
Холодная пайка – дефект, образующийся при смещении выводов
электронных компонентов при кристаллизации припоя или отсут,
ствии сплавления припоя с поверхностью паяемой детали. Указан,
ный дефект можно исправить вторичной пайкой соединений.
Натеки и перемычки вызваны избытком припоя в местах соеди,
нений, что к тому же увеличивает расход припоя. При монтаже ПП
со штыревыми компонентами целесообразно повысить температуру
пайки, увеличить плотность флюса или увеличить угол выхода пла,
ты из волны припоя. Для поверхностного монтажа необходимо оп,
тимизировать процесс нанесения паяльной пасты, увеличить вяз,
кость пасты.
Оценка структуры проводится выборочно для образцов,свидете,
лей. Качественное соединение не должно иметь трещин, пор и других
дефектов; ширина диффузионной зоны рекомендуется в пределах
0,9–1,1 мкм. Для оценки соединений используют телевизионно,рен,
тгеновский микроскоп МТР,З либо металлографическое исследова,
ние на микрошлифах.
Прочность на отрыв проверяется при выборочном контроле на
образцах,свидетелях с помощью разрывных машин.
59
Переходное сопротивление контакта измеряют миллиомметром
методом вольтметра и амперметра. Для различных размеров провод,
ников, соединенных пайкой, переходное сопротивление имеет значе,
ние: при ∅ 0,6 мм – 2–3 мкОм, при ∅ 0,14 мм – 4–5 мкОм.
Оценка по модуляции электрического сигнала позволяет выявить
до 60 % общего числа дефектов. Контролируемая схема подключает,
ся к генератору сигналов, настроенному на определенную частоту
(например, 2–3 кГц), и через двухкаскадный усилитель к осциллог,
рафу или динамику. При вибрации или тряске аппаратуры в дефект,
ных соединениях возникает сигнал с частотой, отличающейся от ча,
стоты настройки.
Оценка по температурному перепаду является одним из самых
перспективных методов для объективного контроля паяных соеди,
нений. Предварительный нагрев платы может быть различным, но
чаще всего используют нагрев электрическим током. Контролируе,
мую плату подключают к источнику питания и после установления
теплового равновесия ее со стороны соединений сканируют инфра,
красным датчиком специального устройства для визуализации и срав,
нения с температурой аналогичной точки эталонной платы. Дефект,
ные соединения имеют температуру на 1–5° выше номинальной. Кон,
трольная операция легко автоматизируется при применении микро,
процессорных систем управления.
Даже 100 %,ный контроль монтажных соединений может выя,
вить только явные дефекты исполнительского характера, а скрытые
дефекты, например микроскопические неоднородности, которые толь,
ко в процессе эксплуатации развиваются до опасных пределов, прин,
ципиально могут быть обнаружены лишь при долговременной рабо,
те системы. В ряде случаев для этой цели конструируют макетные
модули, которые подвергают длительным испытаниям.
Для получения надежных паяных соединений припой должен
прочно сцепляться с поверхностью, заполнять зазоры между сосед,
ними поверхностями, создавать стабильные структуры, свободные
от раковин, пузырей, посторонних включений. Практика показыва,
ет, что повышение надежности элементов и модулей на ПП без одно,
временного повышения надежности электрических паяных соедине,
ний не позволяет достичь требуемого уровня качества. Выводы ин,
тегральных микросхем, как правило, выполнены из медных сплавов
и имеют барьерное покрытие (золото, никель) толщиной 3–5 мкм,
которое препятствует их окислению и способствует улучшению сма,
чивания припоем. В процессе пайки золото и медь, растворяясь в при,
пое, образуют с оловом интерметаллические прослойки (интерметаллиды), которые снижают механическую прочность и электропро,
60
водность паяных соединений. Фрактографическим анализом уста,
новлено пластическое разрушение по паяному шву при небольших
скоростях деформации и хрупкое разрушение по интерметаллидной
прослойке при высоких скоростях деформирования. Поэтому для
повышения надежности ПС требуется за счет оптимизации физико,
химических процессов пайки добиваться предотвращения образова,
ния интерметаллидных прослоек и одновременного повышения проч,
ности припоя в паяном шве. Во многих исследованиях отмечается,
что при пайке различных по конструкции изделий, температурно,
временные режимы нагрева являются индивидуальными и опреде,
ляются практическим путем. Поддержание оптимальных режимов с
высокой стабильностью возможно только с применением автомати,
зированного оборудования. Критериями оценки прочности паяных со,
единений являются величина усилия разрыва, выносливость паяных
соединений при воздействии знакопеременных механических и терми,
ческих нагрузок, вибропрочность и коррозионностойкость. Их числен,
ные значения зависят от свойств основных металлов, флюса, припоя и
характера физико,химических процессов, происходящих при пайке.
Таким образом, завершая анализ факторов, влияющих на надеж,
ность паяных соединений в сборочно,монтажном производстве уст,
ройств РЭА, можно сделать следующие выводы:
1. Требуемый уровень надежности паяных соединений (109–1014 1/ч)
может быть достигнут за счет улучшения совместимости свойств мате,
риалов, физической и химической стабильности структуры в результа,
те оптимизации режимов пайки и повышения их стабильности.
2. С целью обеспечения гарантированного качества соединений в пер,
вую очередь необходимо добиться предотвращения образования интерме,
таллидов при одновременном повышении прочности припоя в паяном шве.
2.3. Технологии создания электрических соединений
механическим путем
Соединения накруткой
В электротехнике и технике связи уже в продолжение десятков
лет провода свободных проводников связывают и контактируют друг
с другом путем простого скручивания. Надежность изготовленных
таким образом соединений очень высока. На основании этого опыта
были предприняты попытки применить скручивание или накрутку
проводов для электромонтажа приборов. Попытки были так удач,
ны, что техника накрутки проводов (также обозначается как wire ,
wrap) сегодня применяется во всем мире.
61
Накрутка – это процесс создания электрического соединения пу,
тем навивки под натягом определенного числа витков одножильного
провода на присоединительные штыри электрических соединителей
[1, 2]. Число витков в накрутке составляет от 5 до 8 (рис. 2.17).
Условием для надежного соединения является наличие присоеди,
нительного штыря с острыми кромками. Круглые присоединитель,
ные штыри для накрутки непригодны. Благодаря натяжению, кото,
рое обеспечивается инструментом, применяемым при накрутке про,
вода, на кромке возникает такое напряжение, при котором наступа,
ет холодная сварка (рис. 2.18). Так как она возникает на всех кром,
ках, то в каждой накрутке создается от 20 до 30 таких сварных
соединений. Положительным результатом этого является низкое пе,
реходное сопротивление в соединении от 1 до 5 мОм. При выполне,
нии накрутки работают с легким нажимом инструмента, вследствие
чего витки ложатся плотно один на другой и дают хорошую защиту
против коррозии контактных мест.
В качестве инструмента при выполнении накрутки в ручном про,
изводстве используют накручивающий пистолет, принцип работы
которого показан на рис. 2.19.
Накрутку выполняют следующим образом: сначала с провода на
определенной длине снимают изоляцию, оголенный конец провода
вставляют в отверстие накручивающей насадки до упора и загибают,
затем насаживают накручивающий инструмент на присоединитель,
ный штифт. Процесс накрутки выполняется под легким давлением в
направлении присоединительного штифта. Собственно накрутка про,
должается от 0,1 до 0,3 с, весь процесс выполнения накрутки проис,
ходит в течение 3 с.
123456738396
86
939
987291
8
829
1234567899 23299
2
939
57333251
88
829
Рис. 2.17. Монтаж накруткой
62
1234567899
2
939
23
Рис. 2.18. Напряжения на углах
соединения
1
2
3
4
5
Рис. 2.19. Принцип устройства инструмента для накрутки: 1 – втулка; 2 – накручивающая вставка; 3 – канавка для провода;
4 – накручивающая кромка; 5 – присоединительный штифт
Чтобы получить хорошие накрученные соединения, нужно, как и
для других методов контактирования, основанных на механических
взаимодействиях, хорошо согласовать друг с другом свойства и раз,
меры присоединительных штырей, насадок для провода и накрутки.
Присоединительные штыри, на которые накручивается провод,
должны иметь, по меньшей мере, две ярко выраженные кромки, при,
чем чем острее край кромки, тем лучше. Квадратные или прямоу,
гольные присоединительные штыри для накрутки считаются более
подходящими. Прочность на растяжение материала выводов долж,
на быть больше или равной 48 кг/мм2 и твердость по Бринеллю боль,
ше или равной 140 кг/мм2. Накрученные соединения изготавлива,
ются из провода диаметром от 0,2 до 1,6 мм. Верхняя граница диа,
метра провода ограничивается прикладываемым крутящим момен,
том инструмента. Для накрученных соединений применяются толь,
ко одножильные провода, что накладывает некоторые ограничения
при электромонтажа приборов. Применяемые медные провода из,за
высоких напряжений, наступающих при накрутке, должны показы,
вать большое относительное удлинение (от 15 до 20 %).
На присоединительном штыре можно выполнять до трех накру,
ток. Кроме того, на штыре оставляют немного места для выполне,
ния ремонтной накрутки. Если накрученное соединение подвергает,
ся высоким механическим нагрузкам (вибрации), должна выполнять,
ся модифицированная накрутка (см. рис. 2.17). При этом последний
виток провода выполняется в изоляции и защищает таким образом
остальные витки от воздействия механических напряжений.
Накручивающий пистолет применяется для различных видов про,
изводства. Привод накручивающего пистолета может осуществляться
давлением воздуха, электричеством или вручную. Качество накру,
63
ченного соединения в принципе не зависит от числа оборотов инстру,
мента, однако при очень высоких ускорениях получаются хрупкие
соединения. При изготовлении накрученных соединений наряду с по,
луавтоматическими монтажными машинами применяются также ав,
томаты. Устройство позиционирования автомата содержит накру,
чивающий инструмент и управляется соответствующей программой.
Автомат для накрутки работает от бухты провода, причем обрезка и
снятие изоляции с провода происходят также автоматически. Про,
изводительность накручивающего автомата составляет от 500 до 1000
проводов в час.
При применении автомата для накрутки в электромонтаже при,
боров необходимо соблюдать следующие условия: все присоединяе,
мые контакты должны лежать в одной плоскости; шаг должен быть
стандартизован; присоединительные штыри должны иметь единые
размеры; допуски на расстояния между любыми штырями для на,
крутки должны иметь величины, допускаемые автоматом.
Большое число выполняемых до сих пор соединений накруткой
показывает, что они даже при предельных окружающих условиях
являются надежными в работе. Несмотря на сильные температур,
ные колебания, влажность и вибрации, безукоризненно выполнен,
ные накрученные соединения остаются газоплотными. Только в от,
дельных случаях возникает незначительное, не влияющее на работу
повышение сопротивления накрученного соединения.
Соединения обжимкой
Укрепление соединительного провода на штыре разъема без пай,
ки производят, кроме накрутки, на,
2
1
прессовкой специально сконструиро,
ванной пружинной скобы. Она одно,
временно с проводом надвигается на
выводной штифт. На рис. 2.20 по,
казано соединение, изготовленное
таким методом. При напрессовке
3
пружинной скобы провод и контак,
тный штырь зачищаются благодаря
трению. Возникает, как при накрут,
Рис. 2.20. Соединения с помощью ке, газоплотное соединение между
пружинных скоб: 1 – проводом и присоединительным
присоединительный штифтом, которое нечувствительно
штифт; 2 – присоеди- к удару и вибрации и показывает
няемый провод; 3 – очень хорошие электрические свой,
пружинная скоба
ства.
64
Изготовление соединений с помощью пружинных скоб произво,
дится специальным инструментом. Присоединяемый провод в про,
тивоположность технике накруткой может быть не только одно,, но
и многожильным. При перемещении пружинной скобы в инструмен,
те подвергается удалению изоляция, и провод вместе со скобой на,
прессовывается на вывод. К выводу можно присоединять до трех про,
водов. Так же как и при накрутке, пружинная скоба, диаметр прово,
да и присоединительный штырь должны быть согласованы друг с
другом. Пружинная скоба изготавливается чаще всего из оловянной
бронзы.
Для выполнения электромонтажа методом пружинных скоб при,
меняется как ручной инструмент, который приводится в движение
пневматически и электрически, так и автоматический, выполняю,
щий наряду с изготовлением контактных соединений также и элект,
ромонтаж.
Недостаток представленного способа заключается в том, что для
создания контакта дополнительно требуется скоба, а его большое
преимущество состоит в возможности обработки любого провода. По
скорости работы данный способ приближается к накрутке.
2.4. Разъемные электрические соединения узлов
систем управления
Для удобства эксплуатации и ремонта радиоэлектронной аппара,
туры отдельные узлы и блоки снаб,
жают электрическими соедините,
1
лями.
Электрический соединитель со,
стоит из двух несущих контакты
частей: вилочной планки (с плос,
кими или цилиндрическими кон,
тактами) и соответствующей ей ро,
2
зеточной планки (с пружинными
контактами). Как правило, вилоч,
ную планку располагают в узле (на
4
3
печатной плате), в то время как
розеточная планка находится в
Рис. 2.21. Взаиморасположение часраме блока или прибора (рис. 2.21).
тей электрических соедиКонтакты розеточной планки, слу,
нителей: 1 – ответный
жащие для контактирования и
электромонтаж; 2 –
электромонтажа выполняют в виде
рама; 3 – соединитель;
4 – узел
флажков,пружин.
65
Большое значение придается исполнению разъединяющихся кон,
тактов. При этом к ним предъявляются следующие требования:
– незначительное и постоянное контактное сопротивление;
– предельно допускаемая токовая нагрузка;
– высокое сопротивление изоляции;
– незначительная емкость;
– небольшое усилие сочленения и расчленения;
– большое количество сочленений,расчленений;
– самоочищение контактов;
– устойчивость к климатическим воздействиям;
– устойчивость к вибрациям и ударам.
Контактное сопротивление складывается из сопротивления мате,
риала контакта, сопротивления, возникающего в месте сужения кон,
такта, переходного сопротивления и сопротивления окисного слоя.
Контактное сопротивление чрезвычайно сильно зависит от контакт,
ного нажатия, от выбранного материала поверхности и принципа
контактирования. Хорошие электрические соединители имеют кон,
тактное сопротивление от 5 до 15 мОм. Предельно допускаемая токо,
вая нагрузка электрических соединителей определяется термической
нагрузкой. В соединителях термическая нагрузка особенно сильно ска,
зывается на пластмассовом основании контактов. Предельно допусти,
мая токовая нагрузка определяется также применяемым поперечным
сечением, материалом контакта, плотностью тока в месте контакта.
Употребляемая предельно допустимая токовая нагрузка при эксплуа,
тации соединителя на печатной плате лежит в пределах от 0,5 до 5 А.
Сопротивление изоляции двух соседних контактов или между кон,
тактами и корпусом зависит от диэлектрического материала элект,
рического соединителя и составляет обычно от 109до 1014 Ом. Соеди,
нители испытывают при напряжении до 2000 В, которое значитель,
но выше рабочего. Емкость контактов относительно друг друга, как
и относительно корпуса, при высокой рабочей частоте должна быть
незначительной. На один контакт она должна составлять 1 пФ. До,
стижение небольшого усилия расчленения и сочленения достигается
компромиссом с контактным сопротивлением, так как малое кон,
тактное сопротивление требует сильного контактного прижатия, а
следовательно большого усилия сочленения и расчленения. Мини,
мальное нажатие на один контакт должно составлять от 10 до 30 г.
В практике, однако, используют более высокое нажатие. Сила со,
членения составляет около 0,3 кг на контакт и сила расчленения –
от 0,05 до 0,2 кг на контакт. При большом количестве контактов
усилие сочленения и расчленения может быть весьма значительным.
66
Количество сочленений,расчленений ограничивается в основном сти,
ранием облагороженной рабочей части контакта и усталостью пружинной
части, на что большое влияние оказывает контактное усилие. Для элект,
рического соединителя принимают от 500 до 1000 циклов сочленений.
Непрямые электрические соединители
Непрямые электрические соединители состоят из двух частей: ви,
лочной и розеточной. При установке на печатную плату вилочной
части контактные штыри сгибаются, вставляются в печатную плату
и там при пайке собранной платы контактируются. Монтаж корпуса
многоконтактного соединителя (например, 90 контактов) требует
вспомогательных инструментов.
Корпус ответной розеточной части укрепляется в раме или на па,
нели. Допуски, обусловленные конструкцией прибора и электричес,
кого соединителя, могут привести к тому, что вилочную часть будет
не просто вставить в розеточную. Чтобы достичь свободного сочлене,
ния,расчленения без механических повреждений частей соединителя,
необходимо изготавливать контакты розеточной части и, частично, ви,
лочной части плавающими (рис. 2.22); кроме того, отверстия для вве,
дения контактов в пластмассовый корпус выполняются воронкооб,
разными.
Большое влияние на контактное сопротивление, усилие сочлене,
ния и расчленения и надежность оказывает конструкция контактов
вилочной и розеточной части. Также важную роль играют покрытия
поверхностей, материал пружинящей части и ее геометрическая фор,
ма. В качестве материала основы для контактов применяют фосфо,
ристую бронзу и бериллиевую медь или бронзу. Они отличаются боль,
шой твердостью и эластичностью, а также хорошими коррозионны,
ми свойствами. Для того чтобы избежать образования оксидной изо,
ляционной пленки, контакты пол,
ностью или частично покрывают
благородными металлами. При этом
чаще всего достигается технико,эко,
номический компромисс между це,
ной облагораживания металла и до,
1234564
78594
5992
стигаемой защитой поверхности.
629
Для контактов электрических со,
единителей используют в основном
Рис. 2.22. Плавающий контакие же металлические покрытия,
такт электрическак и для проводников печатных
кого соединителя
плат. Чтобы избежать потускнения
67
Рис. 2.23. Конструкция контактов непрямого электрического соединителя
серебряных покрытий, причиной которого является «сродство» с серой
и ее соединениями, на серебряные покрытия контактов химически на,
носят тонкое, но очень плотное покрытие золотом. Типичное поверхно,
стное покрытие для контактов электрических соединителей – 4 серебра
и 0,8 мкм золота.
Золотое покрытие имеет незначительную склонность к образова,
нию изоляционных пленок. Толщина гальванически нанесенных
золотых покрытий для контактов составляет от 4 до 10 мкм. Приме,
няется также комбинация золото–палладий, которая при сравнитель,
но низкой цене дает относительно износостойкие проводники, но, к со,
жалению, это покрытие ввиду незначительной толщины и наличия тре,
щин из,за внутренних напряжений, не коррозионностойко.
Контакты проектируются различной геометрической формы из,за
соображений патентной чистоты. При разработке геометрической фор,
мы контакта наряду с экономическим фактором учитывают необходи,
мость достижения малого переходного сопротивления при незначитель,
ных усилиях сочленения и расчленения. Добиваются эластичного и
многоповерхностного соприкосновения контакта. На рис. 2.23 приве,
дено несколько возможных вариантов выполнения контактов.
Прямые электрические соединители
Вилочную часть прямого электрического соединителя выполня,
ют в виде концевых печатных контактов непосредственно на печат,
68
ной плате. Контакты могут располагаться как с одной, так и с двух
сторон ПП. В раме или панели прибора находится (аналогично не,
прямому соединителю) розеточная часть, в которую прямо вставля,
ется печатная плата.
В сравнении с непрямым электрическим соединителем прямой об,
ладает тем преимуществом, что от дополнительной вилочной части
можно отказаться. При проектировании концевых печатных кон,
тактов, используемых в качестве вилочной части соединителя, необ,
ходимо соблюдать ряд особых условий. Для того чтобы усилие кон,
тактирования было воспроизводимо, необходимо, чтобы толщина
печатных плат колебалась в узких пределах. Допустимое отклоне,
ние толщины ПП для прямого соединителя составляет ±0,2 мм. Под,
держание этого допуска требует особых мероприятий при изготовле,
нии печатной платы, особенно при выборе исходных материалов.
Так как печатная плата служит в качестве вилочной части, то
основным материалом контакта является медь на поверхности ПП.
Чтобы достичь большого числа циклов сочленения, к прочности сцеп,
ления медной фольги с подложкой устанавливаются особенно высо,
кие требования. Это касается также медных и облагороженных по,
крытий, нанесенных гальванически или химически.
Так как концевые печатные контакты имеют плоскую ножеобраз,
ную форму, в конструкции розеточных контактов предусматривают
пружинную часть, что обеспечивает незначительные усилия сочле,
нения и расчленения при одновременно максимальном прижиме
контакта.
69
3. СОВРЕМЕННОЕ ВЫСОКОЭФФЕКТИВНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
МОНТАЖА ЭЛЕКТРОННЫХ УЗЛОВ
3.1. Оборудование для установки электронных компонентов
Манипуляторы для установки компонентов фирмы APS (США)
Манипуляторы обеспечивают надежную, быструю и аккуратную
установку поверхностно монтируемых компонентов на печатную
плату методом переноса от питателей с помощью вакуумного пинце,
та (табл. 3.1)
Таблица 3.1. Манипуляторы для установки компонентов фирмы APS
(США)
Модель
Максимальный размер платы
Размеры манипулятора
Высота со столом
Питание
Воздух, давление
Цифровой дозатор
четырехрежимный
Антистатические ящики
Стол, опция
Видеосистема с дисплеем MPP,VC,
опция
Установшик компонентов с малым
шагом MPP,FP, опция
Набор раздвижной для соединения,
опция
MPP,20/21
MPP,10/11
406 ´ 610 мм
635 ´ 724 ´ 178 мм
889 мм
240 В, 50 Гц, 1 А
100 psi
MPP,21 – да
MPP,20 – без
дозатора
1 ´ 1 in – 64 max
2 ´ 2 in – 16 max
Да
356 ´ 56 мм
700 ´ 762 ´ 230 мм
Только настольные
240 В, 50 Гц, 1 А
100 psi
MPP,11 – да
MPP,10 – без
дозатора
1 ´ 1 in – 64 max
2 ´ 2 in – 16 max
Нет
То же
Да
–"–
Нет
–"–
То же
Встроенная механическая система автоматического включения
и выключения вакуума при захвате и установке компонентов об,
легчает труд оператора и повышает производительность сборки.
Номенклатура и количество питателей определяется пользова,
телем.
Модели MPP,11 и MPP,21 снабжены цифровым дозатором для ра,
боты с паяльной пастой или клеем (рис. 3.1 и 3.2).
Видеосистема MPP,VC, которая может быть встроена в любую
модификацию манипулятора, значительно повышает производитель,
ность монтажа и снижает вероятность ошибки оператора. Идеально
подходит для контроля и работы с компонентами с малым шагом. В
70
Рис. 3.1. Манипулятор MPP-11
Рис. 3.2. Манипулятор MPP-21
с системой MPP-VС
состав видеосистемы входит цветной монитор, CCD,камера, видео,
контроллер, держатель для схем.
3.2. Оборудование для нанесения припойных материалов
Устройства трафаретной печати фирмы APS (США)
Устройство трафаретной печати SPR,20 предназначено для ручного
нанесения припойной пасты на печатные платы при помощи ракеля в
условиях единичного и мелкосерийного производств (рис. 3.3).
Автоматическое устройство трафаретной печати SPR,45 предназ,
начено для нанесения припойной пасты на печатные платы в услови,
ях среднесерийного производства (рис. 3.4). Максимальный размер
печатной платы (область работы) – 406 × 457 мм.
Тонкая настройка по осям X, Y, Z и углу Θ обеспечивает очень
точную выставку трафарета относительно печатной платы и каче,
ственное нанесение паяльной пасты на плату. Имеется возможность
регулирования давления двойного ракеля на плату. Жесткая конст,
Рис. 3.3. Устройство ручной трафаретной печати SPR-20
Рис. 3.4. Автоматическое устройство трафаретной печати SPR-45
71
рукция устройства позволяет достигать высокой точности и повто,
ряемости процесса нанесения паяльной пасты.
Характеристики:
– двойной ракель (прямого и обратного хода) для чистой и удобной
работы с припойной пастой позволяет избежать лишних перемещений;
– регулируемая скорость перемещения ракеля для одиночного и
двойного прохода;
– автоматическое поднятие верхней рамки;
– внешние размеры рамки – до 584 × 584 мм;
– работа с двухсторонними печатными платами – с набором SPR,
DNK;
– диапазон регулировки по осям X, Y – ± 12,7 мм;
– диапазон регулировки по оси Z – 16 мм;
– диапазон регулировки по углу Θ – ± 5°;
– устройство для быстрой настройки принтера (по X, Y и Θ) Clear Lexan®;
– вес 73 кг;
– вес со столом 94 кг;
– размеры 762 × 900 × 406 мм.
Модель SPR,45V имеет дополнительно устройство вакуумного
крепления платы (для работы с гибкими печатными платами).
Автоматические дозирующие устройства фирмы
MECHAТRONIC SYSTEMS (Германия)
Автоматические дозирующие устройства D20, D40, D60 предназ,
начены для автоматического нанесения паяльной пасты или клея на
печатные платы. Системы работают под управлением микроконтрол,
лера и идеально подходят для мелко, и среднесерийного производ,
ства (рис. 3.5 и табл. 3.2).
Рис. 3.5. Внешний вид автоматических дозирующих устройств
D20, D40, D60
72
Рис. 3.6. R10 – печь камерная
Таблица 3.2. Дозаторы фирмы MECHAТRONIC SYSTEMS (Германия)
Параметры
Погрешность, мм
Производительность, точек/ч
Повторяемость, мм
Рабочая зона, мм
CAD,редактор
Графический редактор
Автоматический оптимизатор пути
Система визуального контроля
Система обучения
Система распознования репперных
меток
Головка винтового дозирования
Автоматическая компенсация
температуры окружающей среды
Бесконтактное измерение расстояния
Операционная система
SMEMA интерфейс
Модель
D20
D40
D60
± 0,070
До 15000
± 0,025
350 ´ 310
Да
Опция
То же
–"–
–"–
± 0,070
До 15000
± 0,025
350 ´ 580
Да
Опция
То же
–"–
–"–
± 0,050
До 30000
± 0,015
350 ´ 80
Да
Опция
То же
–"–
–"–
–"–
–"–
–"–
Опция
–"–
–"–
Да
–"–
–"–
Опция
Опция
Опция
Windows® Windows® Windows®
Да
Опция
Опция
3.3. Оборудование для групповых способов контактирования
Печи для пайки оплавлением предназначены для групповой пай,
ки дискретных электрорадиоэлементов и интегральных микросхем
на монтажно,коммутационные основания (печатные платы) элект,
ронных узлов (рис. 3.6,3.7 и табл. 3.3).
3.4. Оборудование для отмывки смонтированных узлов
Комплексные системы очистки серии CPS
Комплексные системы очистки серии CPS предназначены для очи,
стки печатных плат от остатков флюса после пайки (рис. 3.8). Сис,
темы обеспечивают полную очистку изделия в три (серии CPS3) или
четыре (серии CPS4) стадии:
– ультразвуковая очистка;
– промывка (две ступени для CPS4);
– просушка.
Особенности:
– специализированные ультразвуковые преобразователи фирмы
Sonicor, «BandScanner» с частотой 40 кГц;
73
Таблица 3.3. Печи для пайки оплавлением фирмы MECHATRONIC
SYSTEMS (Германия)
Модель
Kоличество зон
нагрева
Максимальная
ширина платы
Способ нагрева
Максимальная
температура
Память
профилей пайки
Скорость
конвейера
Длина
конвейера
Питание
Размеры печи
Вес
Интерфейс
R10,камерная
R20,конвейер, R40,конвейер, R60,конвейер,
ная
ная
ная
1
3
3
3
200 ´ 300 мм
200 мм
400 мм
460 мм
Kвазиконвекци, Kонвекцион, Kонвекцион, Kонвекцион,
ный
ный
онный + ИК
ный
430°С
430°С
430°С
430°С
8
99
99
99
–
0,2–1,8
м/мин
0,2–1,8
м/мин
0,2–1,8
м/мин
–
1200 мм
1600 мм
1650 мм
220 В 50 Гц,
2,2 кВт
900 ´ 520 ´ 350
мм
30 кг
–
220 В 50 Гц 220 В 50 Гц 220 В 50 Гц
Рис. 3.7. R40 – печь конвейерная
–
–
–
–
RS232
–
RS232
–
RS232
Рис. 3.8. Внешний вид системы очистки серии
CPS
– таймеры для всех участков очистки;
– цифровое управление температурой во всех ваннах;
– регулировка уровня переполнения ванны;
74
– фильтрующая система на первом этапе ультразвуковой очистки;
– двухступенчатая промывка с противотечением (только CPS4);
– конструкция из нержавеющей стали.
Cистемы могут работать в двух режимах: в ручном и автоматизи,
рованном.
75
4. ОСНОВЫ СОВРЕМЕННОЙ МЕТОДОЛОГИИ СОЗДАНИЯ
СИСТЕМ ОБЕСПЕЧЕНИЯ КАЧЕСТВА СЛОЖНЫХ
РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
4.1. Основные понятия
Одним из основных подходов определения качества изделий элек,
троники является многоуровневое представление радиоэлектронных
блоков с формированием соответствующих моделей и описаний. Дей,
ствительно, говорить о качестве сборки блоков и устройств невоз,
можно, не рассматривая при этом состояние компонентной базы,
правила и приемы проектирования монтажно,коммутационных ос,
нований, наличие (или отсутствие) технологического оснащения,
уровень технологической дисциплины и многое др. Качество сборки
радиоэлектронных изделий, таким образом, является одним из эле,
ментов в достаточно сложной системе взаимосвязанных и взаимо,
обусловленных явлений и процессов, формирующих технические,
эксплуатационные и другие параметры изделия, характеризующие в
своей совокупности его качество. В проблеме обеспечения качества
на одном из первых мест находится методология структурирования
потребности потребителя по горизонтали и вертикали для всех уров,
ней проблемы. Эта методология получила название «структурирова,
ние функций качества».
Методология структурирования функций качества (СФК) основа,
на на 6 основных понятиях [10]:
1. СФК является общей концепцией, позволяющей переводить
потребительские требования в соответствующие технические требо,
вания на каждом этапе жизненного цикла продукции от маркетинга
до эксплуатации.
2. Голос потребителя (ГП) – требования потребителя, включаю,
щие характеристики, соответствующие его запросам и ожиданиям.
3. Характеристики,двойники – выражение запросов и ожиданий
потребителя в технических характеристиках изготовителя.
4. Структурирование функции изделия – конкретный перевод ГП
в характеристики,двойники.
5. Структурирование функций качества,действия, необходимые
для достижения качества, которое требует потребитель и осуществ,
ляемые через распределение конкретной ответственности за качество
между всеми подразделениями,исполнителями организации.
6. Серии матриц для определения соответствия между ГП и тех,
ническими характеристиками.
Для практики применения методов СФК характерен перенос цен,
тра тяжести работ по обеспечению качеством с этапа производства на
76
этапы разработки продукции, что приводит к необходимости пере,
смотра идеологии производства в целом и диктует необходимость
выполнения двух условий:
– цели разработки продукции, сформированные на основе ГП, не
должны искажаться на всех этапах разработки и изготовления;
– необходимо выбрать такие точки контроля интегрального про,
цесса создания изделия, которые не только бы не искажали инфор,
мацию, но и служили основой для корректирующих воздействий,
направленных на повышение технического уровня продукции.
Дополнительно следует отметить, что СФК эффективно по отно,
шению не только к сфере материального производства, но и к созда,
нию программных средств, разработок в области информационных
технологий и вплоть до сферы оказания услуг.
СФК реализуется на основе последовательности четырех докумен,
тов:
1. Плановая матрица, которая переводит ГП в контрольные ха,
рактеристики,двойники.
2. Матрица структурирования характеристик продукции, кото,
рая переводит выходные данные плановой матрицы в характеристи,
ки продукции на предыдущих этапах, т.е. задает требования к про,
дукции в точках контроля при проектировании и производстве.
3. План процесса и контрольные карты, предусматривающие пла,
нируемые характеристики и средства их контроля.
4. Технологические инструкции, основанные на параметрах про,
дукции или процесса и определяющие те операции, которые надо про,
водить персоналу при измерениях в точках контроля.
В связи с недостатком учебно,методической литературы по СФК
представляется полезным дать пример применения методологии СФК
к процессам проектирования и производства радиоэлектронных бло,
ков, что позволит обеспечить обоснованный и корректный переход
от вербальных и размытых оценок ГП к комплексу технических па,
раметров и характеристик, реализация которых и составит предмет
проектирования и освоения производства продукции с улучшенным
качеством.
4.2. Построение плановой матрицы качества
Плановая матрица (рис. 4.1) состоит из ряда присоединенных друг
к другу матриц [12]. Вследствие оригинального внешнего вида пла,
новую матрицу также называют Домом качества. Схема плановой
матрицы с более подробной разбивкой на подсекции (подматрицы)
включает следующие элементы: 1 – запросы потребителя; 2 – пред,
77
423 25596233
45
623 528 2963 24597
4969
523 493
99
2823 24
923 59632
123 493
99
96
5993
12345267389 42
45
525494
493
9 5993
Рис. 4.1. Вид плановой матрицы
плановая матрица; 3 – технические отклики; 4 – зависимости;
5 – техническая корреляция; 6 – техническая матрица.
Матрица голоса потребителя (ГП) – секция 1 строится на основе
запросов и пожеланий потребителя. Эти запросы чаще всего пред,
ставляются в виде, далеком от технических терминов (за исключе,
нием требований заказчика, который в большинстве случаях пред,
ставляет проблематику и оперирует техническими требованиями).
Для получения информации ГП используются: опросы покупателей;
анализ технических характеристик и объемов продаж продукции,
выпускаемой конкурентами; оценка отказов собственной продукции,
динамики и содержания рекламаций на поставленную продукцию;
информация по гарантийному ремонту, получаемая из сервисных
организаций и т. п. Естественно, что количество свойств на этом эта,
пе зависит от информации, поступающей непосредственно от поку,
пателей, специалистов по маркетингу, дилеров, отдела сбыта и т.д.
Предплановая матрица (секция 2) связывает качественные и не,
формальные заявления ГП с их количественными оценками [12].
Матрица делится на ряд разделов, основные из которых:
1. Значимость для потребителя (раздел 2–1)
В этом разделе размещается информация трех видов: абсолютная,
относительная или ранжированная значимости запросов потреби,
телей.
78
Абсолютная значимость используется для формирования шкал
значимостей. Размах шкалы может быть от 3 до 10 баллов. Приме,
ром является пятибалльная шкала:
1 – не представляет значимости;
2 – малая значимость для потребителя;
3 – представляет определенный интерес;
4 – весьма значима;
5 – наивысшая значимость.
Баллы расставляются экспертной группой. При условии репре,
зентативности и достоверности исходной информацией остается опас,
ность признания потребителем всех своих запросов одинаково зна,
чимыми. Эксперты, в свою очередь, будут оценивать значимости зап,
росов, исходя из наличных ресурсов для проектирования и производ,
ства продукции. Очевидно, что в случае малой разности баллов для
разных запросов задача установления приоритетов становится дос,
таточно сложной.
Относительная значимость является более удачным методом для
определения значимости для потребителей. Она основывается на
шкале ценностей, равной 100 ед. Потребитель в данном случае не
будет приписывать равные значения и, чаще всего, оценки колеб,
лются от 40 до 85. В табл. 4.1 приведены варианты оценки запросов
к условному радиоэлектронному блоку, производимые разными ме,
тодами. Для определения относительной значимости существует
множество методов. Одним из наиболее широко используемых явля,
ется метод попарного сравнения. Более сложным является метод ана,
лиза иерархий, который сводится к составлению матрицы запросов,
записанных в строках и столбцах с последующим определением зна,
чимости 1 запроса А по строке А в зависимости от столбцов B, C, и
т.д. В табл. 4.2 представлен фрагмент такой матрицы.
В строках указана значимость запроса А–1A по отношению к дру,
гим. Естественно, что В/А будет представлять инверсию.
В ячейках матрицы нормализованных значимостей приводятся
отношение значения в ячейке к сумме по столбцу, все строки опреде,
ляются путем деления суммы строки запроса А на общую сумму всех
строк и т.д.
Ранжированная значимость задает порядок предпочтений, на,
сколько сравниваемые запросы важнее. Этот метод только ранжиру,
ет запросы, не вводя количественных оценок. Предпочтение отдает,
ся запросу с большим номером, который (табл. 4.2) располагается
вверху списка запросов.
2. Исполнение, удовлетворяющее потребителя (раздел 2–2)
79
80
B
3
1
1/3
1/5
4,53
A
1
1/3
1/5
1/7
1,68
Запросы
A
B
C
D
Сумма
5
3
1
1
10,0
C
Определение значимостей
7
5
1
0
14,0
D
16
9,3
2,5
2,31
30,21
S
Полоса пропускания
Чувствительность
Избирательность
Kоэффициент усиления
Устойчивость к внешним воздействиям
Динамический диапазон
Содержание запроса
Таблица 4.2. Пример матрицы запросов
1
2
3
4
5
6
№
п/п
Таблица 4.1. Значимости запросов
...
...
A
B
C
D
Запросы
4
5
5
5
5
5
Абсолютная
0,6
0,2
0,11
0,9
A
0,66
0,22
0,07
0,05
B
0,5
0,3
0,1
0,1
C
0,5
0,36
0,07
0,07
D
0,56
0,27
0,09
0,08
56%
27%
9%
8%
Все
100%
строки
2
6
3
4
5
1
Ранжированная
Нормализованные значимости
69
92
75
94
87
62
Относительная
Этот раздел характеризует соответствие продукции запросам по,
требителя. Обычным методом оценки этой величины является опрос
потребителей, дающий оценку в виде смысловых градаций или уров,
ней. Число градаций (очень плохо, плохо, нейтрально, хорошо, очень
хорошо, не используется) колеблется от 4,х до (в крайних случаях)
10 градаций, затем переводимых в числа, когда наилучшему испол,
нению присваивается наибольшее число. При этом в столбце состав,
ляется перечень запросов, а в верхней строке – шкала градаций. По
каждому запросу вводится одна оценка.
Затем вычисляются средневзвешенные значения по каждому зап,
росу с помощью выражения
x=
∑ nji
i
,
N
где x – средневзвешенное значение; nj , число потребителей, отме,
тивших запрос j; i , оценка свойства i;. N , общее число опрошенных
потребителей.
Пример такого заполнения приведен в табл. 4.3.
3. Исполнение, противостоящее конкурентам (раздел 2–3)
Проектирование и производство конкурентоспособной продукции
может быть проведено только на основе тщательного изучения осо,
бенностей продукции конкурента, причем этот анализ следует вы,
полнять с позиций запросов как своей части потребительского рын,
ка, так и с позиций технических откликов (характеристик качества).
Расчет данных в разделе 2–3 проводится теми же методами, что и в
разделе 2–2.
Таблица 4.3. Средневзвешенное использование запроса j
Запрос j: использованы компоненты в
корпусах под поверхностный монтаж
Очень плохо
Плохо
Нейтрально
Хорошо
Очень хорошо
Сумма
X = ∑ nii N
i
ni
nii
1
2
3
4
5
40
110
270
480
320
40
220
510
1920
1600
N = 1220
Snii = 4290
3,5164
Примечание. Xj для j,го запроса помещается в раздел 2–2 предплано,
вой матрицы.
81
Сравнение разделов 2–1, 2–2, 2–3 может привести к появлению
ряда альтернатив, выбор лучшей из которых приведет к улучшению
характеристик конечного продукта. В табл. 4.4 приведен фрагмент
предплановой матрицы для этих трех разделов, соотнесенных с зап,
росами потребителя. Из таблицы видно, что по ряду запросов про,
дукция конкурентов имеет преимущества, а по ряду отстает. В том
случае, когда информации о продукции конкурента по ряду запросов
не хватает, выбор стратегии осложняется и возникает необходимость
в проведении либо дополнительных исследований, либо прогнозиро,
вании поведения конкурента, основываясь на собственном опыте.
4. Цели и уровень улучшения (разделы 2–4, 2–5)
Только на основании оценок, полученных в разделах 2–1 – 2–3
возможно принятие решения о том, каким должен быть конечный
продукт, чтобы удовлетворять запросы потребителя, т.е. сформули,
ровать цель. К сожалению, естественное желание достижения наи,
лучшего значения для каждой характеристики вновь разрабатывае,
мой продукции никогда недостижимо. Поэтому решения о концепту,
альном облике конечного продукта должны приниматься с учетом
ограниченности имеющихся в организации материальных, производ,
ственных, интеллектуальных и иных ресурсов и одновременного про,
ведения ряда параллельных проектов. Для иллюстрации выбора цели
и уровня улучшения рассмотрим пример в табл. 4.5.
Методически определение цели и уровня улучшения сводится к
следующей последовательности операций.
Характеристики начального продукта ранжируются в соответ,
ствии с запросами потребителя по пятибалльной шкале и вносятся в
первый столбец.
Второй столбец заполняется средневзвешенными значениями кри,
терия удовлетворенности начальным продуктом Ci, полученными в
разделе 2–2.
Цели, поставленные при выборе концепции конечного продукта
Bi, сведены в 3,й столбец.
Уровень улучшения Yi конечного продукта относительно началь,
ного по i,му запросу определяется по выражению
Yi = Ci / Bi.
(4.1)
и заносится в 4,й столбец.
Наибольшее значение Yi приводит к наибольшим сложностям, но
наилучшим образом удовлетворяет запросы. Улучшение конечного
продукта на десятки процентов (для случаев 3 и 5) вполне реально и
82
83
Полоса пропускания
Чувствительность
Избирательность
Kоэффициент усиления
Устойчивость к внешним воздействиям
Запросы потребителя
Степень удовлетворения
начальным продуктом
1
2
3
1
4
Номер запроса
потребителя
1
2
3
4
5
Таблица 4.5. Уровень улучшения
1
2
3
4
5
№
п/п
Таблица 4.4. Стратегическое управление
3
4
5
2
5
Цель
...
...
69
92
75
94
87
3
2
1,67
2
1,25
2,7
2,9
4,3
2,8
4,5
2,6
3,9
4,1
2,7
3,7
Цель
Исполнение
Использование
удовлетворяющее противостояния
потребителя (2–2) конкурентам (2–3)
Уровень
улучшения
Значимость
для потребителя
(2–1)
не потребует значительных усилий, но улучшение в разы (для случа,
ев 1, 2, 4) может поставить невыполнимые задачи и вообще привести
к прекращению проекта. Однако если начальные значения запросов
потребителя низки (случай 1, 4), то повысить характеристики каче,
ства вполне возможно, а сам процесс улучшения от 1 до 2 окажется
проще, чем, например от 4 до 5 (случай 5). Для учета этих обстоя,
тельств следует использовать следующие приемы: вычисление раз,
ности улучшения ∆Yi
∆Yi = 1 + (Ci − Bi ).
(4.2)
В выражение (4.2) дополнительно введена 1 для того, чтобы при
Ci = Bi коэффициент, умножаемый на значимость для потребителя,
не превращался в 0. Из выражения (4.2) видно, что независимо от
высокого или низкого уровня начального продукта, все приращения
имеют примерно одинаковое влияние на все строки запроса потреби,
теля. Но этому выражению свойственны следующие недостатки: в
невероятном случае, когда цель оказывается меньше значения ис,
ходного продукта, ∆Yi может быть равно 0 или даже стать отрица,
тельным; значительно труднее улучшать высокие значения началь,
ного продукта, чем низкие значения; использование понятия степе,
ни сложности, следующего вида:
1 – нет изменений;
1, 2 – улучшение возможно;
3 – улучшение затруднено.
Данные табл. 4.4 могут быть использованы только как справоч,
ные, а впоследствии вообще исключены.
5. Точка продаж (раздел 2–6)
В этот раздел вносится информация, характеризующая способ,
ность продажи продукции при условии выполнения всех запросов
потребителя.
Обычно точке продаж Si приписывается одно из значений:
S = 1 – продаж нет;
S = 1,2 – частичные продажи;
S = 1,5 – наибольшие продажи.
Этому разделу придается не такой большой вес, как 2–1, 2–2 или
2–5. Очевидно, что хорошее удовлетворение запросов почти автома,
тически приведет к увеличению уровня продаж. Некоторые эксперты
утверждают, что при больших значениях значимости для потребите,
ля и целей происходит увеличение объема продаж вдвое. Надо иметь
в виду, что не для всех запросов потребителя можно сопоставить точ,
ку продаж. Одним из способов повысить мощность СФК является
84
постановка перспективных целей, которые ведут к повышению кон,
курентоспособности и являются основанием для повышения продаж.
6. Вес строки (раздел 2–7)
Раздел содержит вычисленное значение, основанное на информа,
ции и принятых решениях в предыдущих разделах предплановой
матрицы. Это значение представляет собой обобщение весовой ха,
рактеристики для каждого запроса Zi, и определяется
Zi = IiYiSi,
(4.3)
где Zi – вес строки – общая весовая характеристика; I – значимость
для потребителя; Y – уровень улучшения (устанавливается экспер,
тами); S – точка продаж (определяется экспертами).
Подставляя вместо Y его значение из (4.1), получим
Zi =
IiCiSi
.
Bi
(4.4)
Наибольшее значение Z представляет лучшее удовлетворение зап,
росов потребителя. Именно поэтому интегральная характеристика Zi
может рассматриваться как эффективный механизм для принятия ре,
шений о приоритетах и целях для всех проектов. Рассмотрим фраг,
мент оценок Z для различных вариантов значений разделов (табл. 4.6).
7. Нормализованный вес строки (раздел 2–8)
Таблица 4.6. Задание Z в предплановой матрице
Раздел
Минимальное Максимальное
значение
значение
IA – значимость для потребителя
(абсолютная)
1
5
IO – значимость для потребителя
(относительная)
1
100
Использование, удовлетворяющее
потребителя
1
5
Исполнение, противостоящее конкуренту
1
5
С – цель
1
5
0,2
5
Y – уровень улучшений
Точка продаж
1
1,5
ZA – вес строки для IA
0,2
37,5
ZO – вес строки для IO
0,2
750
85
Это значение Z1 i представляет собой значение, выраженное в про,
центах от суммы весов всех строк Z =
∑ Zi.
i
Нормализованное значение определяется как
Zi
100.
Z1 =
Zi
(4.5)
∑
~
Очевидно, что Zi и Zi несут одинаковую информацию и, если зап,
рос А имеет вдвое больший вес для Zi, то, соответственно, процент,
~
ное отношение будет также вдвое больше. Перевод Zi в Zi удобен для
дальнейших вычислений; например, для определения зависимостей
~
(секция 4) или в технической матрице (секция 6) использование Zi
приводит к обозримым цифрам, которые удобны для анализа и при,
нятия решений.
8. Накопленный нормализованный вес строки (раздел 2–9)
Эта характеристика ZΣ не обязательна для применения. В тех же
случаях, когда ее используют, она располагается в крайнем правом
разделе. Обычно получив значение ZΣ команда перестраивает список
запросов в порядке убывания (как это сделано в примере заполнения
предплановой матрицы в табл. 4.7.) и это показывает – насколько
суммарный вес строки улучшает удовлетворенность потребителя пос,
ле выполнения первого запроса, затем второго и т. д.; ZΣ представля,
ет собой результат последовательного суммирования что позволяет
видеть какой процент еще остался неиспользованным для удовлет,
ворения потребителя. Например, в табл. 4.7. видно, что первые два
запроса уже удовлетворяют потребителя на 50% [11].
Таблица 4.7. Пример заполнения предплановой матрицы (секция 2)
Характеристика
Запрос
2–6
2–7
2–8
(%)
2–9
(%)
Устойчивость к
воздействиям
87 4,5 3,7 4,7 1,04 1,5
613
29
29
Чувствительность
92 2,9 3,9 3,5 1,21 1,5
483
23
52
Kоэффициент
усиления
94 2,8 2,7 2,8
1,0
1,5
395
19
71
Избирательность
75 4,3 4,1 4,3
1,0
1,2
387
18
89
Полоса пропускания
69 2,7 2,6 2,8 1,04 1,2
232
11
100
Суммарное значение
–
2110
100
–
86
2–1 2–2 2–3 2–4
–
–
–
2–5
–
–
Предплановая матрица является частью плановой матрицы, но
содержит важную информацию для планирования и принятия реше,
ний. Ее составление является важным шагом в процессе СФК. Коли,
чественная информация этой секции получается в результате иссле,
дования рынка, работы с потребителями, изучения конкурентов и
способствует принятию корректных решений по постановке целей
для проектирования и производства. Работа на этом этапе позволяет
оценить возможности перехода от начального продукта к оконча,
тельному продукту, удовлетворяющему запросы заказчика или по,
требителя.
Характеристики качества (ХК) или технический отклик на
запросы (секция 3), описывая продукцию или процесс, позволяют
перевести неформализованную информацию ГП в технические тер,
мины. В секции 3 ХК представляются в качественном виде, а их ко,
личественная оценка сводится в секцию 6 (разделы 6–2, 6–4); они
описывают продукцию, определяя область применения и требования,
включенные в ТЗ.
Наиболее распространенным языком описания ХК являются ре,
зультаты измерений, причем вид измерений диктуется непосредствен,
но запросами потребителей. Главным условием оценки любой ха,
рактеристики является ее измеримость и возможность восстановле,
ния зависимости между измеряемой технической характеристикой
(ТХ) и представлением заказчика. С этой целью производится струк,
турирование каждого запроса потребителя в измеримую техничес,
кую характеристику. Для каждого запроса определяется один или
несколько методов или средств измерения, удовлетворяющих глав,
ным условиям:
– измерение должно осуществляться в процессе проектирования и
производства до отгрузки или продажи;
– процесс измерения должен обеспечить возможность активных
воздействий на процесс проектирования или производства продук,
ции, осуществляющих необходимые корректировки.
Для процессов определяется направление улучшения из возмож,
ных альтернатив.
Чем больше, тем лучше. Достижимая цель в этом случае не опре,
делена. Примером таких направлений является коэффициент усиле,
ния антенного устройства, среднее время между отказами и т.д.
Чем меньше, тем лучше. Желаемое значение в этом случае равно
нулю. Первым примером является интенсивность отказов, так как
мечтой любого заказчика является равенство ее нулю. Второй харак,
терный пример – сокращение времени запуска продукции.
87
Лучшее значение – номинал. Наилучшим случаем является от,
сутствие разброса относительно номинального значения. Примеры:
пара «вал,отверстие»; поддержание температуры в холодильнике,
равной –10°С.
Иногда вместо измеряемых величин в секции 3 помещают харак,
теристики более высокого уровня, например функции продукции или
процесса. Для большинства сложных систем количество реализуе,
мых функций достаточно велико, кроме того, в современных радио,
электронных системах и комплексах предусматриваются меры аппа,
ратного и функционального резервирования, что потребует сформи,
ровать дерево функций системы и обосновать выбор иерархического
уровня, достаточного для корректного представления плановой мат,
рицы.
Влияние, зависимости и приоритеты (секция 4), в которой ука,
зываются зависимости между запросами потребителя и ХК. Каждая
ячейка матрицы представляет экспертную оценку силы связи между
одной из ХК и одним запросом потребителя, т.е. влияния ХК на зап,
рос. Таким образом, матрица зависимостей содержит в своих ячей,
ках влияние каждой пары «ХК – запрос». Степень влияния может
быть описана одним из четырех возможных вариантов.
1. Отсутствие связи ХК с удовлетворенностью потребителя 2–2 по
отношению к запросу, другими словами, изменение любого вида в
значении ХК не отражается на 2–2.
2. Наличие связи ХК с удовлетворенностью потребителя по отно,
шению к запросу, т.е. при больших изменениях ХК происходят не,
которые изменения в 2–2.
3. Повышенная связь ХК с удовлетворенностью потребителя по
отношению к запросу, т.е. при сравнительно больших изменениях
ХК происходят заметные изменения в 2–2.
4. Сильная связь ХК с удовлетворенностью потребителя по отно,
шению к запросу, т.е. при малых изменениях ХК происходят значи,
тельные изменения в 2–2.
При условии улучшения ХК и возрастании степени удовлетворен,
ности потребителя величина связи принимает положительные зна,
чения. Наличие же отрицательных связей означает необходимость
переназначения ХК для получения положительного значения. Для
обозначения альтернативных вариантов степени влияния будем ис,
пользовать символы, сведенные в табл. 4.8.
Для установления влияния идеальным вариантом ХК являются
измеряемые характеристики. Действительно, удовлетворенность по,
требителя Сi является переменной величиной, а измеряемая харак,
88
Таблица 4.8. Символы влияния
Символ
Значение
Наиболее часто принимаемое
значение
Отсутствует
=
*
+
Нет связи
Слабая связь
Наличие связи
Сильная связь
0
1
3
9
теристика Θmj также переменная величина, поэтому можно считать,
что
Сi = f(Θmj),
(4.6)
где i = 1, 2, …, N – запросы потребителя; j = 1, 2, …, M – измеряемые
характеристики.
Более сложным случаем является случай, когда ХК не измеримы
и зависимости (4.6) не могут быть использованы. При использова,
нии в качестве ХК функций или этапов процесса, команда говорит о
наличии влияния или его отсутствии. При этом используется только
один символ, например +. Такой подход является, естественно, не
очень эффективным, так как не позволяет судить об особенностях
продукции.
Технические корреляции (секция 5) включают взаимосвязи и вза,
имозависимости между ХК и представляют собой половину квадрат,
ной матрицы, повернутой на 45° и лежащей диагональю на секции 3
ХК, строки и столбцы имеют одинаковые наименования, используе,
мые ХК, и поэтому не обозначаются [11]; ХК, используемые для оцен,
ки объекта проектирования или производства, являются зависимы,
ми величинами: если Θmi улучшается, то Θmj будет меняться либо в
том же, либо в противоположном направлении.
Символы технической корреляции сведены в табл. 4.9. Приведем
пример заполнения матрицы технических корреляций с указанием
вида направления улучшения ХК, помещаемых в секции 3 (рис. 4.2).
Рис. 4.2 означает, что, например, «движение Θm1 в направлении
улучшения оказывает среднее отрицательное влияние на Θm5».
Эквивалентной альтернативой информации секции 5 является
граф связей, иногда называемый сетевой диаграммой связей. В них
ХК представляются узлами (рис. 4.3), а воздействие представлены
стрелками, рядом с которыми помещены символы.
Из узла Θm1 исходят две стрелки и ни одна не входит в него – это
указывает, что Θm1 является управляющей ХК; Θm2 имеет только
одну входящую стрелку и ни одной выходящей, что делает эту ха,
рактеристику только индицирующей (управляемой).
89
Таблица 4.9. Символы технической корреляции
Степень технического влияния с
направлением влияния
Степень технического влияния
→
νν
←
ν
Пусто
←
*
→
**
Сильное положительное
влияние
Среднее положительное
n
влияние
Пусто Нет влияния
Среднее отрицательное
*
влияние
Сильное отрицательное
** влияние
nn
Сильное положительное
влияние слева направо
Среднее положительное
влияние справа налево
Нет влияния
Среднее отрицательное
влияние справа налево
Сильное отрицательное
влияние слева направо
Примечание. В случае двухстороннего влияния используется двойная
стрелка .
→
**
Θ11
Θ12
¬
→
*
←
νν
Θ13
←
ν
→
νν
Θ14
¬
Θ15
Рис. 4.2. Пример записи корреляций: ↑ – чем больше, тем лучше; ↓ –
чем меньше, тем лучше; Ο – лучшее (номинал)
Техническая матрица (секция 6),
где ХК, помещаемые в секции 3 пла,
новой матрицы, несут только каче,
Θ14
**
Θ1 2
νν
ственную информацию; для того, что,
ν
νν
бы оценить количественные значения
Θ 13
Θ15
ХК необходимо, используя данные сек,
ции 3, просуммировать все значения
по каждому столбцу матрицы зависи,
Рис. 4.3. Граф корреляций
мостей и получить суммарное значе,
характеристик
ние, называемое приоритетом ХК и по,
качества
мещаемое в секции 6 раздел 6–1. В при,
мере заполнения раздела 6–1 (табл. 4.10) для условного радиоэлект,
ронного блока ограничимся двумя ХК: Θm1 – температура пайки и
Θm2 – зазор между проводниками, хотя реально количество ХК мо,
жет оказаться существенно большим.
*
90
Θ11
Таблица 4.10. Фрагмент заполнения раздела 6–1
Характеристика
Запрос
Qm2
Qm1
температура зазор между
пайки
проводниками
Устойчивость к
внешним
воздействиям
0,29
Чувствитель,
ность
2,07
Kоэффициент
усиления
0,57
Избирательность
Вес
строки
Вес
строки, %
29
33
23
26
19
21
18
20
0
=
2,07
+
+
0
*
1,62
1,62
+
+
Вклад
5,54
3,67
Нормализован,
ный вклад
0,6
0,4
S вкладов S вес
9,21
строк 89
В первой ячейке помещен символ «=» или количество единиц (в
данном случае 1), которые умножаются на значение нормализован,
ного веса строки для первого запроса и помещаются в верхней части
ячейки. Это значение называется зависимостью технического откли,
ка от удовлетворенности потребителя по запросу А. Точно также вы,
числяются все остальные значения по следующим запросам. После
этого происходит суммирование по столбцам, давая значение вклада
по строке, в последней строке приведены нормализованные значения
вкладов к сумме вкладов. Наибольший вклад оказывает наиболь,
шее влияние ХК на удовлетворенность потребителя, что позволяет
определить приоритеты ХК. Так, для рассмотренного примера ука,
занные характеристики качества с учетом их взаимосвязи обеспечи,
вают 80% выполнение трех запросов из общего числа запросов, ука,
зываемых в качестве основных при разработке и производстве радио,
электронных блоков.
При анализе ХК должны быть установлены приоритеты, позво,
ляющие сократить число ХК. Главные ХК становятся контрольны,
ми при рассмотрении продукции конкурента. Возможны два вида
представления ХК:
1. Если ХК определены как измеряемые характеристики, процесс
сравнения с конкурентом в контрольных точках сводится к измере,
нию характеристик собственной продукции. Последовательное
91
сравнение характеристик контрольных точек показывает превосход,
ство или недоработки собственной продукции. Результаты сравне,
ния сводятся в разделы 6–2 и 6–3.
2. Если ХК определены в виде функций продукции или сервиса,
сравнение становится более затрудненным, так как конструкторское
воплощение ХК у конкурента может быть различным. Одним из спо,
собов оценить разницу является разбиение на подфункции и после,
дующее проведение сравнений.
После того как определены основные ХК и точки контроля конку,
рентов, устанавливаются технические цели в виде измеряемых ха,
рактеристик или желаемых функций конечного продукта. В случае
целей, определяемых количественно, можно использовать алгебра,
ические методы.
Важным этапом подготовки к постановке цели является установ,
ление цели в предплановой матрице (раздел 2–4 секции 2). Для этого
определяется значимость параметров потребителя для него самого,
текущее исполнение продукции (начальный продукт), степень про,
тивостояния с конкурентом. Затем для установления цели ХК уточ,
няются Θmi, контрольные точки конкурента, собственные характе,
ристики и только потом формируются цели в технической матрице 6.
Порядок установления целей подобен тому, который принят в пред,
плановой матрице 2; начинается с наибольшего Θmi и определения
соотношения разрабатываемой продукции с продукцией конкурен,
та. При определении целей можно прибегать к методам аналитичес,
кого или компьютерного моделирования; существует ряд программ,
позволяющих это делать. Например, для случая «чем меньше, тем
лучше» зависимость между удовлетворенностью потребителя Bi и
ХК – Θm: Bi = f(Θm) имеет вид линейной функции
y = ax+b
и может быть представлена следующим образом:
B(Θm ) =
⎡
⎤
B1 − B0
B1 − B0
Θmy + ⎢ B0 −
Θm0 ⎥ ,
Θm1 − Θm0
Θm1 − Θm0
⎣
⎦
(4.7)
где (B1, Θm1) – координаты, характеризующие мировой уровень;
(B0, Θm0) – соответствуют уровню начального продукта.
Аналогично определяется цель в случае, когда «лучшее – номи,
нал». В этом случае лучшим уравнением, описывающим зависимость
между удовлетворенностью потребителя и ХК, будет уравнение па,
раболы
92
Bтв (Θm ) =
B0 − B1
(−Θ2m0
+ 2Θm0Θmд − Θ2mд )
(Θm1 − Θmд )2 + B1,
(4.8)
где Θmд – ХК достигаемого уровня (может и не равняться мировому
уровню).
Если зависимость Bi = f(Θm) является функцией нескольких Θm,
моделирование потребует специальных подходов, специфичных в
каждом конкретном случае.
93
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Технология электромонтажа интенсивно развивается во всех пе,
редовых в техническом отношении странах. Прежде всего это обус,
ловлено ежедневно возрастающей потребностью в современной элек,
тронной аппаратуре, вторгающейся во все сферы деятельности чело,
века. Повышенные требования к надежности, компактности элект,
ронных систем, возрастание их функциональной насыщенности, уве,
личение серийности (прежде всего для товаров народного
потребления) ставят все новые и новые задачи как перед разработчи,
ками электронных компонентов, так и перед технологами, проекти,
ровщиками современного технологического оборудования для сбор,
ки и монтажа изделий радиоэлектроники и вычислительной техни,
ки. Успешное решение поставленных задач базируется, прежде все,
го, на изучении и глубоком анализе передовых достижений мировой
научно,технической мысли. Возрождение российской промышлен,
ности, выход ее на передовые позиции международных рынков дол,
жны основываться на подготовке разносторонне эрудированных, тех,
нически грамотных, вооруженных современными знаниями моло,
дых специалистов.
Исходя из вышесказанного, в данном учебном пособии авторы по,
старались изложить последние достижения в области технологий
монтажа электронных узлов современной радиоэлектронной аппа,
ратуры.
94
Библиографический список
1. Технология и автоматизация производства радиоэлектронной ап,
паратуры: учебник для вузов/ И. П. Бушминский, О. Ш. Даутов,
А. П. Достанко и др.; под ред. А. П. Достанко, Ш. М. Чабдарова.
М.: Радио и связь, 1989. 540 с.
2. Ханке Х.,И., Фабиан Х. Технология производства радиоэлектронной
аппаратуры: пер. с нем. / под ред. В. Н. Черняева. М.: Энергия, 1980. 464 с.
3. Мэнгин Ч.,Г., Макклелланд С. Технология поверхностного монтажа:
пер. с англ. М.: Мир, 1990. 438 с.
4. Добросельский М. А. Моделирование процессов нанесения припойной
пасты // Радиоэлектроника и связь. 1996. № 1 (11). С. 75–80.
5. Балашов В. М., Добросельский М. А. Автоматизация сборки цифровых
узлов бортового радиоэлектронного оборудования // Радиоэлектроника и
связь. 1998. № 1, 2 (13, 14). С. 75–79.
6. Горковенко Д. Поверхностный монтаж: счет на микроны. Электронные
компоненты. 2002. № 7. С. 6–8.
7. Поверхностный монтаж. Информационный бюллетень. М.: Изд,во ЗАО
«Предприятие ОСТЕК», 2003. № 1 (23). 4 с.
8. Поверхностный монтаж. Информационный бюллетень. М.: Изд,во ЗАО
«Предприятие ОСТЕК», 2002. № 5 (22). 4 с.
9. Медведев А. Монтаж компонентов. Куда движется технология // Элек,
тронные компоненты. 2002. № 7. С. 8–10.
10. Варжапетян А. Г., Глущенко В. В. Системы управления: исследова,
ние и компьютерное проектирование. М.: Вуз. книга, 2000. 197 с.
11. Варжапетян А. Г., Семенова Е. Г., Балашов В. М., Варжапетян А. А.
Принятие решений о качестве, управляемом заказчиком. М.: Вуз. книга, 2003.
232 с.
12. Cohen Lou. QFD: How to Make QFD Work for You Addison Wesley
Longman Inc. 1995. P. 374.
95
Учебное издание
Балашов Виктор Михайлович
Добросельский Михаил Анатольевич
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
ПРОИЗВОДСТВА ПРИ УПРАВЛЕНИИ
КАЧЕСТВОМ ПРОДУКЦИИ
Учебное пособие
Редактор А. В. Семенчук
Верстальщик С. Б. Мацапура
Сдано в набор 01.12.06. Подписано к печати 12.02.07.
Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 5,75.
Уч.,изд. л. 6,2. Тираж 1000 экз. Заказ №
Редакционно,издательский центр ГУАП
190000, Санкт,Петербург, Б. Морская ул., 67
96
97
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
2
Размер файла
709 Кб
Теги
balashov
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа