Состав комплекта оборудования для мелкосерийного, многономенклатурного, а также прототипного производства печатных плат

Со времен СССР по настоящее время произошло существенное сокращение действующих производств печатных плат (ПП). В 90-ые производства печатных плат ликвидировались в первую очередь так, как они обременены высокими издержками связанными с необходимостью содержать сложное инженерное обеспечение (сжатый воздух с системами обезмасливания , водоподготовка различного уровня очистки, местные отсосы с очисткой выбросов в атмосферу, обще обменная вентиляция, очистные сооружения, система регенерации медьсодержащих рабочих растворов, кондиционирование атмосферы некоторых производственных помещений по температуре, влажности и содержанию пыли и т.п.).

Таким образом, производства печатных плат сами по себе обладают достаточно низким уровнем рентабельности, и могут приносить прибыль только при достаточно высоких объемах или очень ограниченной номенклатуре типо-номиналов.

В РФ большинство производств принадлежит к категории прототипных, мелкосерийных и многономенклатурных, а следовательно малорентабельных. Но разработка все более и более сложной радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), содержащей сложные, аппаратурно насыщенные узлы на печатных плат, требуют, как правило, нескольких достаточно быстрых итераций изготовления для отладки и внесения исправлений и доработок. Естественно эти узлы становятся все более и более сложными ( содержат печатных плат 5-7 класса точности), так как этого требуют используемые в узлах прецизионные электро-радио элементы (ЭРЭ). Таким образом быстрое изготовление прототипов позволяет реализовать в короткие сроки разработку инновационной РЭА с одной стороны, и, одновременно, обеспечить возможность разработчику использовать современные инновационные ЭРЭ с другой.

Несколько быстрых итераций изготовления небольшого количества сложных печатных плат для внесения окончательных доработок и проведения отладки РЭА в целом не всегда можно реализовать при заказе печатных плат на стороне. Организация производства сложных прототипов печатных плат непосредственно на предприятиях разработчиках РЭА позволяет компенсировать убыточность мелкосерийного многономенклатурного производства печатных плат за счет существенного увеличения рентабельности от разработки и производства инновационной РЭА в целом. А в условиях реализации условия импортзамещения эта задача становится все более и более актуальной. В предыдущих разделах были рассмотрены основные этапы техпроцесса изготовления многослойных печатных плат.

При рассмотрении каждого этапа говорилось, на что необходимо обращать внимание с точки зрения технологии и приводились примеры технологического оборудования с помощью которого можно реализовать операции этих этапов. В этом разделе хочу попытаться рассмотреть комплект бюджетного специального технологического оборудования (СТО) с возможностью компоновки по принципу «LEGO», позволяющего решить широкий спектр задач по производству печатных плат различного объема и конструктива (двухсторонних, многослойных, гибких, гибко-жестких печатных плат, печатных плат на металлическом основании для светодиодной техники и т.д.). По-видимому во многом этот комплект будет содержать технологические установки ранее рассмотренные в предыдущих разделах. Однако пусть Вас не смущают повторы, так как в этой главе этот комплект будет рассмотрен, как пример комплексного оснащения производства.

Такой комплект представляется состоящим из следующих частей:

Проектирование печатных плат и формирование технологического маршрута.

Для решения этой задачи можно использовать систему UCAM, включающую в себя возможности проектирования, обработки данных и проверки технологичности производственного процесса.

Программа подготовки данных UCAM содержит в себе весь необходимый набор инструментария для обработки данных и контроля производственного процесса, а также возможности вывода данных для электрического и оптического контроля печатных плат, лазерных плоттеров, сверлильных и фрезерных станков и оборудования прямого нанесения рисунка. Параметры продукции могут содержаться в формате общей управляющей базы данных, либо в различных форматах других систем CAD/CAM.

Программа подготовки данных UCAM содержит в себе автоматизированный технологический процесс обработки данных, таким образом, исключая трудоемкий процесс редактирования. Например: самообучаемая функция загрузки списка апертур, функции проверки для поэтапной обработки данных или мультиплицирования.

Комплект стандартного технологического оборудования для мелко серийного многономенклатурного производства включает:

а)оборудование экспонирования.

Для реализации этой операции на мелкосерийном многономенклатурном производстве целесообразно применять оборудование прямого экспонирования (Рис.166.)

Рис.167. Установка травления Convert 2400

Рис.168.Травильная линия ф. Schmid серии «Infinity»

Эта установка заменяет несколько этапов технологии фотолитографии от процесса изготовления фотошаблонов, до экспонирования. Благодаря возможности использования лазерных диодов с разными длинами волн возможно экспонирование как фоторезиста, так и паяльной маски. Точное базирование позволяет экспонировать платы даже при нелинейных искажениях - рисунок платы корректируется при помощи программного обеспечения.

б) оборудование фотолитографии (подготовка, поверхности, ламинирование, проявление, травление с регенерацией, снятие фоторезиста). Модели СТО можно посмотреть в разделе «Оборудование для производства прототипов и малых серий».

В случае, когда речь идет о печатных платах 5-7 классов точности, отдельного обсуждения требует оборудование травления. Дело в том, что новый ГОСТ Р 53429-2009 специфицирует печатные платы только по параметру линия/зазор, а именно этот параметр формируется установкой травления. Предлагаемая в указанном выше разделе сайта установка Convert 2400 ( Рис. 167.) позволяет формировать рисунок с параметром линия/зазор до 70 мкм . Эта установка является универсальной и может также использоваться для проявления и снятия фоторезиста.

При необходимости реализации более прецизионного рисунка (до 30 мкм) необходимо использовать технически более совершенную травильную установку (например линию ф. Schmid – «Infinity NEO», оснащенную системами интермиттирующего и вакуумного травления) (Рис.168).

Для обеспечения травления сверхпрецизионного рисунка эта линия может быть оснащена блоком с индивидуальным управлением интенсивности распыления для каждой форсунки. Для обеспечения быстрого и точного измерение толщины меди диференцированно по множеству точек по поверхности печатных плат для контроля и управления прецизионным процессм травления ф. Schmid разработана специализированная установка решающая эту задачу. Рис.169.

Рис.170. Двух шпиндельный станок ф. Pluritec
модели Мultistation EVO 2S

в) оборудование металлизации переходных отверстий.

Отсутствие в ГОСТ Р 53429-2009 специфицирования по отношению длины отверстия (толщины печатных плат) к его диаметру (Н:d ) – aspect ratio - не приводит к отсутствию необходимости учитывать этот параметр при разработке техпроцесса изготовления печатных плат, особенно прецизионных . При этом следует учитывать что прямая металлизация, будучи более выигрышной, как с точки зрения экологии, так и с точки зрения организации техпроцесса, не позволяет, тем не менее, металлизировать отверстия с Н:d более 10:1 для сквозных отверстий и 0,8:1 для глухих ( это связано с фундаментальными физическими процессами прямой металлизации).

При необходимости реализации более прецизионных параметров придется использовать химмедь, при этом химико-гальваническая линия (ХГЛ) должна быть оснащена системами вибрации, дозирования, безвоздушного перемешивания и пр. В зависимости от требуемой производительности РТС предлагает ХГЛ модели Compacta L или ХГЛ собственной разработки и изготовления различной конфигурации (см. описания в каталоге на www.rts-engineering.ru). В качестве рабочих растворов предлагается использовать химию ф. DOW, отличающуюся высокой стабильностью технологических свойств, естественно при скрупулезном соблюдении технологических требований и рекомендаций, прилагаемых к поставляемой химией ф. DOW. Возможна адаптация ХГЛ к любой химии по указанию заказчика.

г) оборудование механической обработки печатных плат (сверление сквозных и глухих отверстий, фрезеровка по контуру).

В связи с принципиально различными требованиями к шпинделям для сверления и фрезеровки, для изготовления прецизионных печатных плат, требующих реализации максимальных параметров по величине оборотов и точностям, считаю нецелесообразным использование т. н. универсальных сверлильно-фрезерных шпинделей. (Упоминал это ранее при рассмотрении технологических операций). Для оснащения прецизионных прототипных мелкосерийных производств рекомендуется применять двух шпиндельные станки ф. Pluritec модели Мultistation EVO 2S, позволяющие использовать в зависимости от необходимости либо сверлильный, либо фрезерный шпиндели. (Рис.170.)

д) оборудование нанесения паяльной маски (ПМ)

Комплект содержит традиционное СТО трафаретной печати или установку факельного распыления - рис.171, сушильные шкафы для предварительной сушки и окончательного задубливания.

В зависимости от требований установка Ecosprey может быть оборудована 1-4 распылителями, что позволяет легко переходить от одного типа паяльной маски на другой за считанные секунды, для смены размера панели требуется всего лишь занести в программу размер по осям X/Y, настроить захваты и запустить установку. Установка обеспечивает двухстороннее нанесение маски, превосходное заполнение зазоров, расход паяльной маски от 12 до 15м2 на 1 кг в зависимости от требуемой толщины нанесения, оснащена подогреваемыми форсунками.

Для сушильного шкафа предварительной сушки важна точность поддержания температуры (±1С⁰), для окончательного задубливания – возможность нагрева до 150-160 С⁰

е) экспонирование и проявление паяльной маски возможно осуществлять на СТО рассмотренном в п.п. а) и б) настоящего раздела.

ж) оборудование для нанесения паяемых покрытий

Наиболее надежным и технологичным паяемым покрытием является покрытие получаемое горячим лужением. для реализации этой операции на мелкосерийном многономенклатурном производстве предлагаются установки горячего лужения ф. Laif). (Рис.172).

Следует отметить, что использование технологии горячего лужения с воздушным выравниванием позволяет при получении достаточно хорошей планаризации проводить 100% тестирование изготовленных печатных плат на стойкость к сильному термоудару (печатные платы, выдержавшие такое воздействие, с высокой степенью вероятности выдержат и все эксплуатационные воздействия в течении всего жизненного цикла).

Рис.171.Установка нанесения паяльной маски методом факельного напыления серии Ecosprey

Рис.172.Установка горячего лужения ф. Laif

Для изготовления прецизионных печатных плат очень важно иметь на производстве хорошо оснащенную аналитическую лабораторию, подробно описанную выше и имеющую в своем составе:

а) комплект оборудования для изготовления шлифов (шлифовально-полировальную машину, формы для заливки шлифов, металлографический микроскоп с возможностью просмотра шлифов на ПК , анализа, измерения, и записи библиотеки фото шлифов). Анализ шлифов является наиболее достоверным способом контроля металлизации отверстий и внутренних слоев многослойных печатных плат, что особенно актуально при изготовлении прецизионных печатных плат, работающих в жестких условиях эксплуатации;

б) дуктиломат – прибор для измерения пластичности меди дуктилометрическим методом (гидравлическим выдавливанием);

в) автоматизированные титровальные бюретки для проведения больших объемов анализов при кислотно-основном, окислительно-восстановительном титровании, комплексонометрии, титровании по методу осаждения и комплексообразования, предваряющих оптимальную корректировку рабочих растворов;

г) прибор и матобеспечение для анализа добавок рабочего раствора гальванической металлизации методом CVS (циклическая вольтамперометрия), либо ячейку Хулла (в зависимости от используемых рабочих растворов гальванической металлизации);

д) фотоспектрометр для анализа рабочих растворов по цвету при определении палладия в растворе прямой металлизации, а также перманганата и манганата в растворах удаления наволакивания смолы, активатора в растворе нанесения адгезионного покрытия перед прессованием, тиомочевины в растворе иммерсионного оловянирования;

е) рентгеноспектроскоп для измерения толщин многослойных покрытий типа

ENIG, ENEPIG и др.

В случае необходимости изготовления многослойных печатных плат производство необходимо дополнительно оснастить, организовав прессовый участок (Рис.173);

а) установкой нанесения адгезионого покрытия;

б) вакуумным прессом с масляным нагревом/охлаждением;

в) системой 2-х ступенчатой корректировки размерных изменений (например РinLam/Inspecta Combo).

Рис.173. Пример планировки участка прессования

При изготовлении многослойных печатных плат 5-7 классов точности зона сборки прессформ должна кондиционироваться по обеспыливанию в соответствии с требованиями ИСО 6 (не хуже) ГОСТ 14644-1-2002.

В случае необходимости изготовления гибких и гибко-жестких печатные платы необходимо опционно дооснастить специальными конвеерами, обеспечивающими обработку тонких и гибких слоев.

Дополнительными опциями также необходимо дооснастить сверлильно-фрезерные станки (системами безконтактной фрезеровки на заданную глубину). Кроме того изготовление гибких и гибко-жестких печатных плат обеспечивается выбором специальных базовых материалов, специальной последовательностью технологических материалов и цеховой оснасткой.