Пример оснащения лаборатории монтажа и сборки печатных плат

Структура, объёмы и качество подготовки квалифицированных рабочих и специалистов среднего звена в области изготовления электронных модулей (узлов на печатных плат) часто не соответствуют требованием работодателей и не отвечают запросам рынка труда. И это является насущной проблемой современной системы подготовки специалистов. В июле 2016 года в структуре Московского Технологического Университета (МИРЭА) появилось новое подразделение - учебно-производственный центр «Инновационные технологии в микроэлектронике» Института кибернетики, осуществляющий образовательную, производственную, научно-исследовательскую деятельность в области проектирования и производства радиоэлектронной аппаратуры как общего, так и специального назначения (включая проектирование и изготовление печатных плат, монтажно-сборочное производство) в тесном взаимодействии с другими структурными подразделениями Университета, в компетенции которого вошло осуществление подготовки квалифицированных специалистов, отвечающих современным требованиям работодателей предприятий радиоэлектронной промышленности. Ведь радиоэлектронная промышленность – один из важнейших высокотехнологичных секторов экономики страны, обеспечивающих разработку и производство военной и гражданской продукции, уровень которой во многом определяет экономическую, технологическую, информационную безопасность и оборонную достаточность России.

Состояние отечественной технологической базы, разработок, серийного производства изделий РЭА свидетельствует о том, что радиоэлектронная промышленность России находится в структурно-технологическом кризисе, значительно отставая от динамичного развития мировой электроники.

Модернизация российской экономики и переход её на инновационный путь развития неразрывно связаны с обновлением производства и его материально-технической базы. При этом начинать правильнее и дешевле с сборочно – монтажного сектора, поскольку он обременен существенно меньшими издержками на формирование производственной инфраструктуры, чем сектор изготовления печатных плат. Это, кстати, явилось одной из причин, по которой в 1990-1998 гг. российская промышленность (по официальным данным) сократила объёмы производства в 2,2 раза.

По проекту Центр включает в себя:

1.Лабораторию дизайна и разработки микро и нано электроники.

2.Лабораторию изготовления печатных плат.

3.Лаборатория монтажа радиоэлектронной аппаратуры.

4.Лаборатория рентгеновского и функционального контроля радиоэлектронной аппаратуры.

Такая структура Центра позволяет организовать полный цикл изготовления радиоэлектронной аппаратуры, от разработки проекта печатной платы и изделия до его полного изготовления в более короткие сроки, если бы пришлось искать производителей на стороне. При этом будущие специалисты смогут:

1.Получить знания по проектированию радиоэлектронной аппаратуры на современных рабочих местах и применить полученные знания сразу на практике.

2.Подготовить весь перечень необходимой документации для отработки технологических процессов изготовления разработанного изделия в стенах Университета. Это позволит сократить время за счёт исключения поиска заинтересованных в разработанном изделии лиц и организаций, долгих переговоров о возможности изготовления и решении других организационных и производственных вопросов.

3.Изготовить макетные образцы разработанной аппаратуры для отработки конструкции и технических характеристик изделий. Кроме того, будущие специалисты не просто передадут разработанную конструкторскую документацию и необходимые данные на проект изделия, но и примут активное участие в самом процессе изготовления изделия. В процессе изготовления изделия будущие специалисты на практике применят полученные на теоретических занятиях знания, отработают различные технологические решения и проверят разработку на технологичность.

4.По результатам изготовления макетных образцов внести необходимые корректировки в разработку и оперативно изготовить новые образцы.

5.Проверить применяемость различных технологических материалов, отработать новые варианты материалов и выбрать наиболее оптимальные.

Помимо подготовки будущих специалистов оснащение Центра планируется использовать для изготовления макетных и опытных образцов радиоэлектронной аппаратуры как общего, так и специального назначения, разработанных в рамках ОКР и НИОКР с подготовкой всей необходимой конструкторской и технологической документации для постановки на производство.

Проекты лабораторий Центра выполнены при активном методологическом участии ООО «РТС Инжиниринг».

Первый этап включает лабораторию поверхностного монтажа следующего оснащения:

• современная полностью автоматизированная линия установки и пайки поверхностно-монтируемых компонентов на печатные платы с автоматической оптической инспекцией качества монтажа на соответствие требованиям конструкторской документации, а также отечественных и международных стандартов (Рис. 1);
• рабочие места по верификации результатов АОИ;
• рабочие места ручного монтажа электронных модулей, кабелей, жгутов и других проводных изделий;
• рабочее место отмывки в ультразвуковой ванне электронных модулей от технологических загрязнений.

Поставку и пуско-наладку технологического оборудования осуществляли специалисты ООО «РТС Инжиниринг».

Оснащение лаборатории поверхностного монтажа имеет следующие технологические возможности:

1.Полностью автоматизированная линия монтажа поверхностно-монтируемых компонентов на печатные платы.

2.Размеры печатных плат или заготовок – от 50х50 до 450х500 мм.

3.Типы устанавливаемых компонентов - SO, PLCC, QFP, TSOP, BGA, µBGA, CSP, и другие поверхностно монтируемые компоненты неправильной формы.

4.Размеры устанавливаемых компонентов от 01005 до микросхем размером 50х50 мм, а также разъёмы высотой до 12 мм.

5.Монтаж прототипов электронных модулей от 1-й шт. до средних серий (производительность по IPC 11700 комп./час).

6.Возможна работа как по свинцовой технологии, так и по бессвинцовой или по смешанной технологиям.

7.Ручной монтаж электронных модулей с использованием современного паяльного оборудования - паяльные станции Weller, Pace.

8.Ремонт электронных модулей – демонтаж и последующий монтаж микросхем различной сложности от 5х5 мм до BGA размером до 55х55мм. и количеством шариков более 1000, а также микросхем QFP и т.п.

9.Реболлинг – замена шариковых выводов на микросхемах в корпусе BGA с бесвинцовых на свинец содержащие.

10.Отмывка электронных модулей в ультразвуковой ванне.

11.Изготовление кабельной продукции – жгуты, провода, кабели и т.п.

12.Внутриблочный монтаж радиоэлектронной аппаратуры.

Монтаж поверхностно монтируемых компонентов на печатную плату осуществляется на полностью автоматизированной линии.

Основные операции в себя включают:

• нанесение припойной пасты;
• установка поверхностно монтируемых компонентов;
• оплавление припойной пасты;
• контроль качества монтажа компонентов на печатную плату.

Полностью автоматизированная линия позволяет отработать процесс монтажа печатных плат от прототипов до серии и выявить все недостатки конструкции, а также проверить разработку на технологичность.

Загрузка печатных плат осуществляется загрузчиком, выгрузка – разгрузчиком-сортировщиком электронных модулей на годные/негодные.

Рассмотрим каждую технологическую операцию более подробно.

Нанесение припойной пасты осуществляется в установке трафаретной печати SPG, ф. Panasonic (подробнее...), Япония (Рис.54).

Как известно, от качества нанесения припойной пасты на 70-80% зависит качество паянных соединений компонентов, установленных на печатную плату. В установке трафаретной печати применён ряд запатентованных технологических решений, которые благоприятно сказываются на качество нанесения припойной пасты:

• ступенчатый отрыв трафарета с переменной скоростью, что позволяет получить наиболее оптимальную форму отпечатка для всех типов компонентов на плате;
• использование гибридной головки, позволяющая формировать более стабильную форму валика припойной пасты и снизить время цикла до 15 секунд с учётом чистки трафарета после каждого цикла печати без потери повторяемости, которая достигает рекордных значений.

Кроме того, принтер имеет опцию 2D-инспекции, позволяющая контролировать качество нанесения припойной пасты в проблемных местах непосредственно после её нанесения, таких как микросхемы с малым шагом, высокая плотность расположения мелких компонентов, контактные площадки микросхем в корпусе BGA.

На стадии нанесения припойной пасты производится оценка адаптации изделия к технологии автоматического монтажа и проверяется правильность проектирования печатной платы.

Установка поверхностно монтируемых компонентов осуществляется на автомате IINEO, ф. Europlacer, Англия (Рис. 55).

Возможности автомата установки компонентов:

Технические характеристики
Время установки компонентов	0,263 сек - 13 660 комп/час (IPC 11 ;700 комп/час)
Точность размещения	35 мкм для QFP и 60 мкм для чипов
Захватывающая головка	Головка револьверного типа c 8 захватами
Анализ компонентов	«на лету» черно-белое изображение
Номенклатура питателей	Весь диапазон интеллектуальных питателей быстрой загрузки для ленты шириной от 8 до 88 мм, компонентов в пластиковых пеналах и поддонах
Вместительность фидерной консоли	264, 8 мм питателей + эквивалент 10 матричных поддонов
Параметры обрабатываемых плат
Минимальный размер печатных плат	60 х 60 мм
Максимальный размер печатных плат	700 х 460 мм
Толщина	от 0,5 до 10 мм
Вес	максимум 3 кг.
Зазор под платой	25 мм
Диапазон компонентов
Типы	Компоненты прямоугольной и цилиндрической формы, компоненты; SO, PLCC, QFP, TSOP, BGA, µBGA, CSP, и другие поверхностно монтируемые устройства неправильной формы
Минимальный размер	0,4 х 0,2 мм (01005)
Максимальный размер	50 х 50 мм
Максимальная высота	При полном повороте головки - 12 мм (34 мм при одиночном захвате компонента)
Минимальный шаг выводов	0,3мм (QFP); 0,4мм (µBGA)
	0,15мм (QFP);
Минимальный размер выводов	0,15мм (QFP); 0,2 мм (µBGA)
	0,07мм (QFP);

Технологические возможности автомата установки компонентов позволяют осуществить монтаж печатных плат значительных размеров с высокой плотностью расположения компонентов различного размера и формы, а также достаточно широкой номенклатуры. Это полностью развязывает руки разработчикам и будущим специалистам в фантазиях применения компонентной базы абсолютно любого размера и любой формы. Высокая производительность автомата позволяет отрабатывать изделия на технологичность при подготовке к серийному производству. Высокая точность установки компонентов обеспечивает необходимые требования, предъявляемые к электронным модулям согласно стандарту IPC-610D.

Оплавление припойной пасты осуществляется в 10-зонной конвекционной печи FL-VP1060 ф. Folungwin (подробнее...) (Рис. 56).

Технические характеристики
Количество зон нагрева	10 зон (снизу и сверху)
Количество зон охлаждения	3 зоны
Диапазон температуры	Комнатная температура ~ 350°С
Точность температуры	± 1°С
Ширина печатных плат	Стандарт: 35 - 430мм  Опция: 35 - 500мм

Система конвекции горячего воздуха, расположенная как с верхней, так и с нижней стороны каждой зоны, позволяет осуществлять равномерный нагрев изделия. Температура каждой зоны постоянно контролируется и автоматически поддерживается на заданном уровне с точностью ± 1°С. Большое количество зон печи (10) позволяет строить температурный профиль, максимально приближенный к требуемому для той или иной паяльной пасты как для простых электронных модулей, так и для больших сложных электронных модулей на печатных платах большого количества слоёв и с использованием теплоёмких компонентов с системами охлаждения, таких как микросхемы в корпусе BGA с радиаторами и т.п.

Температурный профиль подбирается индивидуально под каждую печатную плату в зависимости от её теплоёмкости и теплоёмкости установленных на неё компонентов при помощи термопар и контролируется непосредственно на мониторе печи. Правильно подобранный температурный профиль – это примерно 40% вклада в качество монтажа компонентов на печатную плату. После оплавления первого изделия проводится всесторонний анализ качества паянных соединений – визуальный контроль, рентгеновский контроль, после чего принимается решение об оплавлении всей партии изделий или внесении корректировок в температурный профиль.

Контроль качества монтажа электронных модулей осуществляется на установке автоматической оптической инспекции (АОИ) VT-RNS Ⅱ ф. Omron, Япония (Рис. 57).

Её основные технические характеристики:

• Размер печатных плат 50 х 50 мм до 510 х 460 мм (размер L ).
• Толщина печатных плат от 0,3 до 3,0 мм.
• Количество проверяемых точек на плате до 10 000.
• Скорость проверки до 25см2 /сек.
• Минимальный проверяемый компонент 0201
• Виды контроля - наличие/отсутствие компонента, точность позиционирования, контроль полярности компонента, распознавание маркировки, «могильный камень», переворот компонента, обнаружение приподнятых выводов, недостаточное количество припоя, наличие шариков припоя, перемычки, отсутствие пайки, проверка качества галтели смачивания.

Система VT-RNS Ⅱ широко используется на предприятиях производства электронной аппаратуры. Благодаря запатентованной технологии трёхцветной кольцевой подсветки установка точно находит и определяет дефекты монтажа компонентов и контролирует форму образовавшихся паянных соединений, позволяя определить их надёжность и качество.

По результатам АОИ изделия сортируются на годные и негодные и разгружаются в соответствующие магазины.

Верификация результатов проверки АОИ производится на отдельном рабочем месте (Рис. 58).

Рабочее место верификации результатов проверки АОИ оборудовано современным цифровым безокулярным микроскопом и ремонтной станцией.

Все дефекты, выявленные в процессе АОИ, анализируются на соответствие нормативно-технической документации предприятия, стандартам и требованиям конструкторской документации. По результатам анализа разрабатывается перечень мероприятий по недопущению дефектов в будущем, которые могут касаться как конструкции изделия (не правильно спроектированные посадочные места под компоненты, не верно подобранный компонент, компоненты расположенные не оптимально для автоматического монтажа и т.п.), так и технологических режимов (не верно подобран температурный профиль пайки в печи и т.п.). Все конструктивные замечания учитываются при изготовлении новой партии изделий или единичного образца. Таким образом налаживается обратная связь между этапами производства изделий и их разработкой.

На ремонтном центре (Рис.59) производятся ремонтные работы с электронными модулями по демонтажу и последующему монтажу компонентов в корпусах BGA, CSP, QFN, Flipchip, QFP, SO и чип-компонентыов размером до 0402.

Нижний и верхний нагрев инфракрасный.

Контроль температуры осуществляется с помощью инфракрасного сенсора и термопары.

Термопрофиль отображается на мониторе и контролируется оператором. В случае необходимости оператор может внести корректировки в температурный профиль.

Отмывка электронных модулей осуществляется в ультразвуковой ванне (Рис. 60) с применением дионизованной воды и/или отмывочных жидкостей.

Лаборатория рентгеновского и функционального контроля позволит обеспечить полный цикл монтажно-сборочного процесса изготовления изделий радиоэлектронной аппаратуры.

Использование рентгеновского оборудования обеспечит контроль необходимого качества монтажа на печатные платы компонентов со скрытыми выводами, таких как микросхемы в корпусе BGA.

Рентгеновское оборудование позволит контролировать такие параметры паянных соединений, как:

• количество пустот в паянных соединениях;
• качество паянного соединения по форме шариковых выводов и наличию галтелей;
• наличие или отсутствие коротких замыканий;
• смещение выводов компонента и т.п.

Функциональный контроль электронных модулей предназначен для измерения характеристик собранного изделия, хотя возможно и измерение отдельных элементов электронных модулей.

Измерения проводятся также, как и в случае с внутрисхемным контролем (то есть щупами или адаптером). В отличие от внутрисхемного контроля на плату подаются определенные входные сигналы, и происходит последующее измерение выходных. Так, например, если мы проверяем аналого-цифровой преобразователь, установленный на плате, то нам потребуются щупы для создания входного и выходного сигналов. Система подает синусоидальный сигнал на вход тестируемого блока, и замеряет импульсы, получаемые на выходе. Анализ выходных сигналов дает возможность системе принять решение о браке в исследуемом изделии.

Основным плюсом данного способа контроля является то, что мы получаем 100% правильное решение о браке продукции. Т.е. даже если продукция собрана правильно и проведена оптическая инспекция плат, полную уверенность в работоспособности может дать только внутрисхемный и функциональный контроль собранного электронного модуля. На рис. 61 показан общий вид установки функционального контроля компании Digitaltest.

Таким образом, изготовив электронный модуль на собственном производстве, можно будет сразу проверить его на соответствие заложенным техническим характеристикам и требованиям конструкторской документации. Появляется возможность проводить изменения конструкции изделия практически в реальном времени, получив результаты изготовления и проверок вносятся необходимые корректировки в проект и изготавливается новый практически единичный образец.

В Центре процедура построения производственного процесса изготовления радиоэлектронной аппаратуры идёт, опираясь на высококвалифицированных специалистов, имеющих опыт работы в данном направлении. Производственный процесс строится в соответствии с требованиями, предъявляемые к производству радиоэлектронной аппаратуры как общего, так и специального назначения с приёмкой ОТК и ВП. Вокруг специалистов, осуществляющих производственную деятельность, и строится учебный процесс. Обучающиеся проходят необходимое предварительное теоретическое обучение, после чего допускаются к производственному процессу под присмотром и руководством ответственных специалистов.

Будущие специалисты получают неоценимый опыт работы на современном высокотехнологичном оборудовании, обучаются приёмам высокоэффективной работы на нём. Кроме того, они обучаются основам программирования рабочих режимом каждого из видов оборудования, участвующего в технологической цепочке изготовления радиоэлектронной аппаратуры.

Благодаря организации такого учебно-производственного процесса в будущие работодатели получат в своё распоряжение уже подготовленных специалистов, квалификация которых будет отвечать высоким требованиям современного производства электроники.

Помимо образовательной части, Центр позволит сократить сроки разработки радиоэлектронной аппаратуры собственных разрабатывающих и научно-исследовательских подразделений, сократятся сроки изготовления прототипов и опытных образцов, аккумулируя весь спектр необходимых работ внутри Университета.

Заключение

Многое из того, что изложено в вышеприведенных текстах есть дань технологам моего поколения. Возможно некоторая информация вскоре устареет или устарела уже (наша отрасль так быстро развивается, что очень трудно поспеть за информационным потоком). Тем не менее хочется оставить молодому поколению накопленный отечественными технологами опыт производства электроники и понимание того откуда «есть пошли отечественные печатные платы и узлы на них». Еще раз повторю: все, что здесь изложено «не есть истина в последней инстанции». Для профессионального понимания нашей кухни надо испытывать ее на соответствие фундаментальным законам физики и химии, внимательно изучать технические требования на внедряемые и эксплуатируемые процессы и оборудование; и не лениться включать умочек. И все у нас получится.