Установка компонентов на печатные платы

Учреждение образования

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Кафедра электронной техники и технологии

РЕФЕРАТ

на тему:

«РУЧНАЯ И МЕХАНИЗИРОВАННАЯ УСТАНОВКА КОМПОНЕНТОВ НА ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ»

МИНСК, 2008

Установка ЭРЭ и ИМС на платы является первым этапом монтажа. В зависимости от технической реализации различают ручную и механизированную сборку плат, причем в качестве критерия выбора оборудования принимают вариант исполнения выводов (штыревые, планарные). Оптимальное выполнение операции установки ЭРЭ на платы требует:

- определения оптимального варианта расположения ЭРЭ и ИМС на плате;

- согласования допусков на выводы и на диаметры отверстий;

- выбора наиболее приемлемого метода фиксации компонента.

Положение компонентов, полученное при сборке, не должно изменяться до момента формирования монтажного соединения. Поэтому компоненты должны быть зафиксированы на плате. Фиксация должна: быть легкой в исполнении, не допускать применения дополнительных элементов, выдерживать собственную массу элементов, осуществляться при обратном ходе рабочего инструмента. Существуют различные варианты фиксации выводов элементов в отверстиях плат (рис. 1): загибка (а), расплющивание (б), деформация (в), под действием упругих сил (г) или трения (д).

Загибка создает большую опасность замыканий с близлежащими проводниками, чем расплющивание. Пружинные выводы ИМС не требуют загибки, так как фиксация происходит за счет трения о внутренние стенки отверстий. Для фиксации ИМС с планарными выводами применяют их предварительное приклеивание к плате.

Рис. 1. Фиксация выводов компонентов в отверстиях плат

1. РУЧНАЯ УСТАНОВКА КОМПОНЕНТОВ НА ПЛАТЫ

В условиях многономенклатурного и мелкосерийного производства ЭА получила развитие программированная ручная сборка на светомонтажных столах, при которой световыми средствами указывают ячейку неподвижного накопителя и участок ПП, где нужно установить элемент. Это значительно повышает производительность сборки и уменьшает количество ошибок. Вручную, без специальных средств, обычный темп сборки -- до 200 элементов в час, на светомонтажном столе он может достигать 500 -- 600 шт/ч. Не требуется обращение к чертежу, исключаются ошибки размещения элементов, снижается квалификация рабочих.

Светомонтажный стол -- довольно сложное устройство, в котором могут применяться различные принципы подачи ИЭТ, указания мест расположения на ПП, управления перемещением платы (рис. 2).

рис. 2 Схема светомонтажного стола

Указание посадочных мест может быть выполнено путем проецирования со слайдов, "световой указкой" либо использования световодов.

В первых светомонтажных столах модели УПСП-904 (СССР) и фирмы Streckfuss (Германия) указание посадочных мест осуществлялось проецированием со слайдов в диапроекторе, закрепленном под столом. Число и расположение пятен света на ПП зависели от расположения отверстий в носителе информации -- латунной фольге или кинопленке толщиной 0,1 мм, вставленной в рамку слайда. Недостатками являлись высокая трудоемкость подготовки программ, низкий темп сборки.

Указание с помощью световодов путем подсветки отверстий в ПП снизу использовалось в установках "Свет" и "Цвет" (рис. 3). Полярность элементов указывалась миганием. Недостатками являлись значительная трудоемкость подготовки программ, ограниченные возможности передачи дополнительных символов.

1 - плата; 2 - шаблон; 3 - световод; 4 - программная панель; 5 - осветитель

Рис. 3. Схема проецирования изображения через световод

Более гибкая система с использованием "световой указки", в которой пятно светового луча от проектора перемещается по ПП со скоростью 300 -- 400 мм/с с разрешением 0,15 -- 0,3 мм. Луч может формировать разные символы, указывать место установки.

Светомонтажный стол модели Logpoint (рис.4) состоит из светолучевой головки, рабочего стола, микроЭВМ, дисплея, клавиатуры и элеваторного накопителя. Программирование осуществляется в пошаговом режиме, и все данные выводятся на экран дисплея.

1 - дисплей; 2 - проектор; 3 - панель; 4 - накопитель; 5 - микроЭВМ

Рис. 4. Стол с гибкой программой сборки

Характеристики столов приведены в табл. 1.

Таблица 1. - Светомонтажные столы программной сборки

2. МЕХАНИЗИРОВАННАЯ УСТАНОВКА КОМПОНЕНТОВ НА ПЛАТЫ

При механизированной установке элементов основную роль играет сборочная головка, которая выполняет следующие функции (рис. 5.): принимает компонент из подающего устройства, ориентирует компонент, рихтует и обрезает выводы, вводит выводы в соответствующие отверстия или совмещает их с контактными площадками и при необходимости загибает.

а - изгиб выводов; б - обрезка выводов; в - загибка выводов

Рис.5. Механизированная установка дискретных ЭРЭ

Варианты позиционирования (рис. 6) зависят от конструкции компонентов.

Компоненты с боковыми выводами (резисторы) позиционируются по двум выводам, элемент подводится под легким внешним воздействием к плате. Для компонентов с несколькими штыревыми выводами (транзисторы) не применяют прямые направляющие, а позиционируют несколько выводов, что требует больших допусков на отверстия платы. Для ИМС выводы фиксированы по отношению к корпусу и не формуются. Тогда устанавливают элемент, удерживая его за корпус, что является менее надежным способом.

а б в

а - по двум выводам; б - по трем выводам; в - по корпусу

Рис. 6. Варианты позиционирования ЭРЭ сборочными машинами

При автоматизированной сборке однослойных и многослойных плат должны выполняться следующие технические требования:

использование минимального числа типоразмеров ЭРЭ и ИМС;

размещение корпусных ИМС на ПП рядами или в шахматном порядке с шагом установки 2,5 мм; корпуса с планарными выводами допускается размещать с шагом 1,25 мм, зазоры между корпусами ИМС должны быть не менее 1,5 мм;

установка ИМС со штыревыми выводами только с одной стороны ПП, а ИМС с планарными -- с двух сторон.

Сборка на полуавтоматах ведется с помощью пантографа. Перемещение платы в направлении осей х и у производится персоналом вручную, пантограф работает в основном масштабе 1:1, поэтому в качестве образца используют просверленную печатную плату. Пантограф имеет копирный щуп с конусной головкой, которая вставляется в отверстие шаблона или несмонтированной платы. Установочная головка при этом выполняет следующие действия: захватывает элемент, изгибает выводы, вставляет их в отверстия, обрезает и фиксирует выводы. Преимуществом полуавтоматов с пантографами является более высокая производительность по сравнению со светомонтажными столами, возможность быстрой переналадки на другие изделия. Недостатки -- более жесткие допуски на монтажные отверстия, невысокий уровень автоматизации. Полуавтомат для установки ИМС в корпусах DIP с одновременной групповой подрезкой выводов ГГ-2482 имеет время цикла укладки 5 с, производительность 1200 шт/ч (рис. 7).

Сборочные автоматы, выполняющие основную технологическую операцию установки ИЭТ на плату, отражают более высокий по сравнению со светомонтажными столами уровень автоматизации сборочно-монтажных работ. Их применение становится оправданным в условиях серийного производства либо при сборке ИЭТ массового применения в любом производстве. Они могут быть узкоспециализированными, рассчитанными на установку одного типа ИЭТ, или гибкими универсальными автоматами. В последних одна и та же головка способна собирать на ПП разнообразные ИЭТ.

Применяемые в промышленности сборочные автоматы отличаются выполняемыми операциями, возможностями установки определенной номенклатуры ИЭТ, степенью автоматизации, применяемыми дополнительными средствами и т. д. За последнее время появился ряд сборочных автоматов, в которых операция подачи ЭРЭ на сборку в заданном программой порядке выполняется без предварительной переклейки в липкую ленту.

Сборочные головки могут выполнять в автоматическом цикле одну или несколько технологических операций: извлечение ИЭТ из накопителя или носителя, поворот ИЭТ по ключу или оси координат, формовку выводов ИЭТ, перенос ИЭТ, центровку ИЭТ, установку ИЭТ на ПП.

фирма Philips разработала установку параллельной сборки (рис. 9), в которой используется принцип ударного монтажа. Она состоит из неподвижного держателя печатных плат, на котором закрепляется плата 1, нескольких установочных головок 2 и магазина компонентов 3. В выпускаемом оборудовании для этих целей используют одновременно до 10 установочных головок, которые вращаются в аксиальном направлении на 180. Фиксация выводов происходит посредством загибки их в нужном направлении с помощью специального устройства. Вследствие одновременной установки всех компонентов достигается высокая производительность (до 2500--3000 шт/ч), однако перестройка установки на другой тип плат требует много времени, поэтому метод пригоден для крупносерийного и массового производства.

а - принцип работы; б - расположение сборочных головок

Рис. 9. Установка параллельной сборки

При изготовлении электронно-вычислительной аппаратуры, характеризующейся большим числом однотипных сборочных единиц -- ТЭС -- применяют сборочные машины с цифровым управлением.

Информация, необходимая для управления машиной, считывается c носителя данных (перфоленты, магнитного диска). В этих станках к позиционированию стола предъявляют повышенные требования, т. е. необходимая точность составляет 0,025 мм.

Параллельно во времени при позиционировании платы происходит выборка компонентов и их транспортирование к сборочной головке. Число магазинов должно быть достаточно большим (от 20 до 40) для выполнения сменного задания.

Автомат "Трофей" для установки на платы в программной последовательности ЭРЭ с осевыми выводами и перемычек, вклеенных в ленту, управляется с помощью мини-ЭВМ "Электроника-60" и имеет две сборочные головки. Характеристики других автоматов приведены в табл. 2.

Для программной вклейки ЭРЭ с осевыми выводами и перемычек в липкую ленту используется автомат типа "Трал", управляемый с помощью мини-ЭВМ. В автомате секционного типа вклейка осуществляется одновременно с 20--60 бобин.

Таблица 2 - Технические характеристики автоматов для установки ЭРЭ

Автомат ГГМ 1.149.002 предназначен для сборки ЭРЭ с осевыми выводами -- резисторов МЛТ, диодов Д9, Д18, Д223 и др., вклеенных в липкую ленту. Сборочная головка выполняет операции вырезки ЭРЭ из ленты, формовки выводов и установки элементов на ПП с подгибкой выводов. Координатный стол имеет привод от двигателя постоянного тока СД-75Д с максимальной скоростью позиционирования 0,1 м/с и минимальным шагом 0,02 мм. Управление осуществляется от стойки ЧПУ, в качестве программоносителя используется 8-дорожечная перфолента.

Для автоматизированной сборки и пайки ИМС с планарными выводами в корпусе типа 401.14 и других применяют автоматы с ЧПУ типов АРПМ, АУП-007, УСПА-1 (СССР) (табл. 3). Автомат сборки плат (АСП-902П) может устанавливать корпуса ИМС четырех типоразмеров с 14 и 16 выводами и управляется с помощью ЭВМ. Перед сборкой ПП закрепляются в пакетах (5--10 шт.) и устанавливаются на транспортно-накопительном модуле. Кассеты с микросхемами закрепляются на платформах вибрационных питателей.

Клей наносится двумя методами: на ПП дозатором (универсальный метод) или на дно микросхемы с помощью ванночек с клеем (более производительный метод). По программе плата из накопителя подается в рабочую зону, сборочная головка меняет схват, вакуумной присоской захватывает из кассеты микросхему, устанавливает ее на плату и производит пайку выводов групповым паяльником. После сборки плата подается в накопитель. Загрузка кассет ИМС в 14-выводном корпусе обеспечивает непрерывную работу автомата в течение часа.

Таблица 3 -Технические характеристики автоматов сборки для ИМС с планарными выводами

Повышение производительности труда на операциях сборки может осуществляться за счет внедрения ГПС, основными составными частями которых являются ГПМ и РТК. ГПМ -- это единица технологического оборудования, автономно функционирующая с программным управлением и имеющая возможность встраивания в ГПС. РТК -- это совокупность технологического оборудования, промышленного робота и средств оснащения, автономно функционирующих по заданной программе.

Организация ГПМ сборки и монтажа предъявляет следующие требования к ИЭТ:

наличие на корпусе элемента в зоне первого вывода четко выраженного и конструктивно оформленного ключа в виде скоса, выступа, выемки и т. д.; нумерация остальных выводов ведется слева направо или по часовой стрелке;

упаковка ИЭТ в тару, допускающую машинную обработку, например элементы 1-й и 2-й групп (неполярные ИЭТ -- резисторы, конденсаторы, полярные ИЭТ -- диоды, конденсаторы) с осевыми выводами должны поставляться вклеенными в двухрядную липкую (бумажную) ленту;

конструкция ИЭТ должна обеспечивать стойкость к технологически воздействиям: трехкратной пайке без теплоотвода при 265 С в течение 3 с; виброотмывке в спирто - бензиновой смеси (1:1) с частотой (505) Гц и амплитудой колебаний до 1 мм в течение 4 мин; УЗ-очистке в диапазоне частот 18--22 кГц с интенсивностью 0,4--0,6 Вт/см² (амплитуда 4--6 мкм) в течение 2 мин (кроме ППП и ИМС);

печатные платы должны иметь прямоугольную форму с соотношением сторон не более 1:2 для обеспечения их достаточной жесткости при воздействии автоматической укладочной головки;

для фиксации ПП на координатном столе сборочного автомата в конструкции ПП должны быть предусмотрены базовые фиксирующие отверстия с точностью расположения не хуже 0,05 мм;

платы должны иметь зоны, свободные от ИЭТ, для фиксации их в направляющих координатного стола, накопителях, транспортной таре. Эти зоны располагаются, как правило, вдоль длинных краев ПП на расстоянии 5 мм для бытовой и 2,5 мм для специальной аппаратуры.

ГПМ установки ИМС на ПП и при необходимости крепления на ней подгибкой двух выводов в корпусах типа 2, уложенных в технологических кассетах, приведен на рис. 10.

Процесс функционирования ГПМ следующий. ПП из накопителя 8 подается устройством загрузки-выгрузки 9 к координатному столу 6 сборочного автомата и фиксируется в нем с помощью фиксирующего устройства 5. Координатный стол при этом выводится в нулевое положение. После фиксации ПП координатный стол перемещается к укладочной головке 3, которая в соответствии с задаваемой системой управления 7 программой производит выбор нужного типа ИМС из накопителя (линейного 1, установленного на столе 2, или роторного 4) и установку ИМС выводами в отверстия ПП. В некоторых вариантах оборудования специальная головка может осуществить подгибку двух выводов с целью дополнительного крепления ИМС на ПП. Для ИМС с числом выводов 14 и более в дополнительном креплении необходимости нет -- ИМС держится на ПП за счет пружинения выводов, вставленных в отверстия.

Технические характеристики различных моделей автоматов приведены в табл. 4.

Таблица 4 -ГПМ установки ИМС на ПП в корпусе типа 2 (DIP)

Рис. 10. ГПМ установки на ПП ИМС в корпусе типа 2

РТК пайки волной припоя предназначен для выполнения монтажных соединений на ПП за счет автоматического выполнения операций загрузки-разгрузки, флюсования, подогрева, пайки и удаления излишков припоя (рис. 11). Плата с установленными на ней ИЭТ извлекает захватом 2 робот 3 из накопителя 1, устанавливается на специальную кассету и через устройство загрузки 4 передается на транспортер 9 линии пайки. Транспортер (цепной конвейер) последовательно перемещает ПП через агрегаты линии пайки. В агрегате флюсования 7 поверхность монтажных элементов, подлежащих пайке, смачивается флюсом, подающимся в виде пены к нижней поверхности ПП. В агрегате подогрева 8 происходит испарение жидкости, используемой в качестве растворителя флюса, с целью предотвращения разбрызгивания расплавленного припоя при попадании на него капелек жидкого флюса с поверхности ПП, а также подогрев ПП до 75--125 С с целью уменьшения термоудара при погружении ПП в волну расплавленного припоя в агрегате пайки 10 при температуре 260 С. Способ нагрева -- терморадиационный. Температура должна быть максимальной, но не выше той, которую допускают ИЭТ, установленные на ПП. Контроль и поддержание режимов пайки осуществляются автоматически с помощью устройства управления 5, а информация о режимах отображается на табло 6. Выгрузку плат выполняет устройство 11.

Рис. 11. ГПМ пайки волной припоя

Технические характеристики ГПМ приведены в табл. 2.5.

Таблица5 -ГПМ волновой пайки

ЛИТЕРАТУРА

1. Технология поверхностного монтажа: Учеб. пособие / Кундас С.П., Достанко А.П., Ануфриев Л.П. и др. - Мн.: «Армита - Маркетинг, Менеджмент», 2000.

2. Технология радиоэлектронных устройств и автоматизация производства: Учебник/ А.П. Достанко, В.Л.Ланин, А.А. Хмыль, Л.П. Ануфриев; Под общ. ред. А.П. Достанко. - Мн.: Выш. шк., 2002

3. Гуськов Г.Я., Блинов Г.А., Газаров А.А. Монтаж микроэлектронной аппаратуры Мн.:Радио и связь, 2006.-176с.