Процесс монтажа компонентов на печатную плату представляет собой ключевой этап создания электронной аппаратуры, где элементы электроники устанавливаются на несущую подложку из диэлектрического материала. Печатная плата содержит уже нанесённый план будущей схемы, включая размещение проводящих дорожек и места для установки таких компонентов, как резисторы, конденсаторы и микросхемы. Для обеспечения возможности сквозного монтажа на плате выполнены соответствующие отверстия.
Конкретный набор элементов, применяемый при сборке, напрямую зависит от функционального предназначения как самой печатной платы, так и целого устройства в конечном итоге. До начала процесса сборки, поверхность печатной платы подготавливают, применяя специальные средства – паяльные пасты или клеевые составы, а также формируют необходимыерезы и пазы. Для фиксации компонентов на плате часто используют методы точечной сварки.
После установки всех элементов проводится тщательная очистка диэлектрической основы от остатков флюса и наносятся защитные покрытия для обеспечения надежности и долговечности собранной печатной платы.
После завершения сборочного процесса, каждая печатная плата проходит серии тестов и проверок, чтобы удостовериться в её правильной работе и соответствии техническим требованиям. В комплект поставки готового продукта включаются и программные средства, необходимые для управления функциями печатной платы и обеспечения взаимодействия с другими компонентами устройства.
Стандарты и регламентация
В рамках применения стандартизации выделяют термин “базовый модуль”. Определяется он как модульный элемент, состоящий из печатной платы, электронных радиоэлементов (ЭРЭ), элементов крепления, а также компонентов, необходимых для соединения и надёжной фиксации. Данный комплект получил обозначение ЭМ1. С использованием этих модулей происходит ассемблирование конструктивно целостных сборочных блоков для создания полноценных электронных устройств.
Что касается стандартов монтажа печатных плат, то руководящим документом здесь является ГОСТ Р МЭК 61192-1-2010. В нём чётко прописано, что за определение класса качества продукции несёт ответственность заказчик. В свою очередь, данный класс нужно обозначать прямо в техническом задании или заявке на производство.
В соответствии с особенностями использования электронной аппаратуры можно выделить три основные категории:
1. Класс С: аппараты, предназначенные для критически важных задач. Отличительная черта относительно групп А и В — строгие требования к высокому уровню надежности и долговечности. Организации, заказывающие такое оборудование, могут предъявлять жесткие критерии к эксплуатационным характеристикам устройств. Необходимо, чтобы аппаратура безупречно функционировала несмотря на продолжительность работы. Такие изделия применяются в системах управления процессами, например, в медицинских системах жизнеобеспечения, на транспорте, на вредных производствах.
2. Класс В: оборудование специального назначения. Сюда входят средства связи, комплексные электронные системы и высокопроизводительное вычислительное оборудование.
После монтажа производят проверку функционирования устройства на предмет возможных неисправностей, а также оценивают качество выполнения паяных соединений на электронной плате. Хотя полное соответствие техническим требованиям является предпочтительным, оно не является абсолютно обязательным. Заказчик и исполнитель вправе согласовывать приемлемые пределы отклонений.
Стандарты требуют, чтобы заказчик предоставлял информацию о влиянии окружающей среды на функционирование устройства. Оптимальными условиями является бесперебойная работа печатной платы даже при воздействии негативных внешних факторов.
3. Класс А — электронные устройства общего назначения: периферия, ПК, модули и блоки, которые входят в состав типовых комплексов.
Требования к геометрии изделий содержит стандарт МЭК № 61188-1-1. В нормативе перечислены размеры, классы точности, отклонения.
Качество монтажа плат
Для анализа эффективности функционирования продукции применяется критерий соответствия определенному стандарту состояния. Перед началом работы исполнитель синхронизирует с клиентом требуемые этап качественные характеристики и финальные параметры продукта. Если в спецификации заказчика отсутствуют четкие указания, производитель опирается на нормативы стандартов. В соответствующем документе выделяют следующие категории: пригодное для использования изделие, изделие с дозволенными отклонениями и некондиционный продукт.
К первому критерию относится так называемое «нормальное состояние»: высококачественная сборка сочетается с безотказной функциональностью. Идеальный режим работы является целью всех процессов, связанных с монтажом электронных компонентов. При этом в документацию продукции ставят отметку “пригодно”.
Второй категорий – изделия в «допустимом состоянии». Здесь важным является соответствие функционирования электронного оборудования заданным клиентом допускам при монтаже и сборке плат. Продукция, находящаяся в этой категории, может иметь параметры, достигающие критических значений предельно допустимых показателей. Такие изделия отправляют заказчику без дополнительной дообработки или передают на следующую стадию производственного процесса.
В ходе массового производства продукции иногда возникает тенденция к увеличению числа отказов. В соответствии со стандартами рекомендуется провести тщательный анализ причин и обстоятельств, при которых происходят неполадки:
- в процессе монтажа или пайки электронных компонентов;
- во время компоновки устройств из отдельных модулей;
- в случаях, выходящих за рамки контроля технологического процесса.
Пересмотр стандартов качества и процессов является неотложной рекомендацией от разработчиков ГОСТ в ситуациях, когда происходят частые неисправности. В этом контексте следует заново оценить условия приемки изделий, включая требования для категории “пригодно к использованию”.
Электронный компонент, который не соответствует заявленным техническим толерантностям, определяется как “непригодный”. Проверка может раскрыть, что изделие следует списать на брак либо же направить на последующую переработку. В официальных документах такая ситуация маркируется как “недопустимое состояние” или “бракованный продукт”.
Рост уровня бракованной продукции требует неотложного вмешательства, включающего переоценку существующих критериев качества, а также возможное изменение производственного процесса.
Процесс принятия решений о том, будут ли изделия приняты, отклонены, подвергнуты дальнейшей доработке или отправлены на утилизацию, осуществляется на основании ряда официальных документов:
- заключенного между сторонами контракта;
- нормативно-технической документации, получившей одобрение;
- технических условий, согласованных участниками сделки.
Перечень разрешенных недостатков и стандарты для определения несоответствующих товаров описаны в международных стандартах IEC: 61191-1, 61191-2, 61191-3.
Монтаж печатных плат в условиях серийного производства и на выезде
Разработка печатной платы представляет собой сложный процесс, включающий в себя множество аспектов. К аспектам конструкции относится определение расположения элементов на плате в соответствии с заданным массивом, методы их закрепления, а также позиционирование монтажных отверстий и установка габаритов для обеспечения технологичности изготовления.
В ходе проектирования модуля уделяется внимание следующим техническим аспектам:
– оптимизация количества слоев пленки;
– эффективная трассировка электропроводящих дорожек;
– расчет параметров передачи сигнала и влияния паразитных эффектов;
– обеспечение надлежащего распределения тепла и учет климатических условий эксплуатации.
Специалист по производству определяет оптимальные методы монтажа и сборки устройства для достижения цели проекта.
Регламентирующие стандарты устанавливают необходимость соблюдения определённых условий температурного режима и влажности для выполнения различных операций. В большинстве случаев стандартно подходит окружающая температура в пределах от 18 до 30 градусов Цельсия и относительная влажность не более 70%. В то же время, при нанесении паяльной пасты и флюса на поверхность, стандарты предписывают более узкие границы этих параметров.
В ситуациях, когда электронный модуль находится в условиях с относительной влажностью ниже 30%, необходимы особые меры предосторожности для предотвращения образования электростатических разрядов. Для обеспечения защиты компонентов и оборудования, чувствительных к электростатическим разрядам (ЭСР), применяются защитные программы. Соответствующие стандарты и требования зафиксированы документации Международной Электротехнической Комиссии, в частности, в нормах МЭК 61340-5-1 и МЭК 61340-5-2.
Условия получения качественных печатных плат
Технологический процесс установки печатных плат требует создания условий с достаточным освещением для монтажников радиоэлектронных изделий и инспекторов качества. Нормативы предписывают уровень освещенности не менее 1000 лк/м2. Кроме того, предусмотрены следующие требования:
– поддержание высокого уровня чистоты в производственных помещениях;
– строгое соблюдение планов технического обслуживания с регулярной отметкой в специальных журналах;
– создание таких условий на производстве, чтобы внешние факторы не оказывали влияния на качество и эффективность процесса монтажа.
Эти требования особенно актуальны для монтажа оборудования вне стационарных условий, в полевых ситуациях.
Одно из ключевых преимуществ воспользования услугами контрактного производства заключается в комплексном предложении: от разработки техничесого задания, проектной документации и создания необходимых шаблонов до сборки устройств, нанесения защитных покрытий, мониторинга качества на каждом этапе сборки, а также финального тестирования изделий в условиях, максимально приближенных к эксплуатационным, и последующей упаковке готовой продукции. В дополнение предоставляются услуги по ремонту и техническому обслуживанию. Клиенты получают значительную экономию за счет отсутствия необходимости вкладываться в собственные производственные мощности, покупке специализированного оборудования и найме высококвалифицированных сотрудников.
Виды монтажа печатных плат
В данном стандарте определяются пять основных подходов к организации технологических линий. Различия между методами определяются конфигурацией оборудования для печати, длительностью технологического цикла и трудоемкостью, выражающейся в числе операций.
Эффективность достижения желаемого итога опирается на ряд ключевых параметров:
– тип конструкции: односторонние печатные платы (ОПП), двусторонние печатные платы (ДПП), многослойные печатные платы (МПП);
– степень механизации процесса: ручная работа в сравнении с использованием технически сложных устройств, включая автоматизированные производственные линии и станки с компьютерным числовым управлением (ЧПУ);
– размеры печатной платы (ПП) и сложность разработанной схемы;
– уровень точности изготовления, для которой ГОСТ 23751-86 классифицирует пять различных категорий в зависимости от плотности расположения элементов схемы;
– количество заготовок, обрабатываемых параллельно, при условии, что конструкция печатной платы позволяет применять групповые методы обработки, что обычно используется в массовом производстве.
Наиболее широко распространенный способ крепления компонентов к основанию – техника поверхностного монтажа. В отечественной практике данная техника обозначается аббревиатурой ПМ, на международном уровне – SMD. Это предполагает припайку элементов к верхней или нижней части печатной платы, причем отверстия в плате делаются только для монтажных нужд.
Преимущества применения поверхностного монтажа (ПМ):
– Автоматизированный процесс производства обеспечивает высокую степень качества изготавливаемых изделий.
– Экономичное использование пространства за счет плотной установки элементов: однопланарной и двухпланарной компоновки.
– Высокая производительность благодаря возможности одновременного монтажа сквозных (THR) и поверхностных (SMD) компонентов.
В технологии сквозного монтажа используются токопроводящие выводы, которые пропускаются через отверстия на печатной плате. Наряду с вышеперечисленными преимуществами, одним из отличительных качеств THR является надежность механического соединения компонентов.
Процесс изготовления печатной платы включает несколько ключевых этапов:
1. На первом этапе на поверхности подложки создаются канавки при помощи сверления.
2. Далее с использованием специального трафарета в отверстия наносится паяльная паста.
3. После этого на подложку устанавливаются электронные компоненты.
4. Завершается процесс монтажа вдавливанием контактных частей элементов в предварительно подготовленные пазы.
В процессах сборки часто применяются комбинированные методы монтажа для повышения качества и надежности соединения.
Финальная стадия производства печатной платы состоит в нанесении защитных покрытий, таких как медь, никель, сплав Розе, а также оловянно-свинцовые покрытия. Такой защитный слой не только предотвращает короткое замыкание от подвесных элементов, но и защищает проводящие дорожки и основу платы от воздействия паяльного реагента, а также служит препятствием для процесса коррозии металлических элементов.
Монтаж компонентов на плату
Проектная реализация изделий включает такие типы как односторонние печатные платы (ОПП), двусторонние печатные платы (ДПП), многослойные печатные платы (МПП) и гибкие печатные платы (ГПП). Изделия на односторонних платах выделяются своей экономичностью и простотой изготовления, при этом они обычно не требуют металлизации поверхности. Тем не менее, согласно техническим спецификациям, монтажные отверстия могут покрываться специальным покрытием.
Материалом основы для плат может служить рельефный ЛКМ (литой композит) или многослойный прессованный пластик, обеспечивающие необходимую прочность и теплостойкость. Такие изделия находят широкое применение в бытовой технике, устройствах связи и источниках электропитания.
Двусторонние печатные платы характеризуются размещением компонентов на обеих сторонах и фиксацией этих компонентов с помощью контактов (осевых или штыревых выводов) в специальных монтажных отверстиях. Ведется применение металлических или диэлектрических слоев для создания проводящих цепей.
ДПП выделяются увеличенной плотностью трасс проводников и густотой размещения элементов, что делает их идеальными для использования в составе радиоэлектронной аппаратуры (РЭА), систем автоматического управления и регулировки, а также в измерительных устройствах. Кроме того, платы на металлическом основании часто используются в аппаратуре с высокими токовыми нагрузками за счет их выдающихся теплоотводящих свойств.
Трехмерная технология сквозной монтаж компонентов на печатных платах – это метод, выбираемый для создания электронных устройств, требующих особенно высокого уровня надежности.
Конструкция такой печатной платы включает в себя, как минимум, два или больше слоев основания, каждый из которых покрыт проводящим узором и оснащен нужными элементами. Отдельные слои объединяются в единую структуру с помощью клеевых прослоек и путем прессования. Взаимосвязь между слоями и передачу электронов обеспечивают специализированные многомерные компоненты, печатные вставки и процессы химико-гальванической металлизации.
Преимущества Многослойных печатных плат (МПП) в сравнении с Однослойными (ОПП) и Двухслойными (ДПП) печатными платами:
– Усиленная надежность функционирования системы;
– Высокая концентрация элементов на каждый квадратный сантиметр платы;
– Оптимизированное расположение компонентов на плате;
– Меньшие габариты устройств благодаря компактному монтажу;
– Высокая стойкость к физическим воздействиям и экстремальным климатическим условиям.
Главный недостаток многослойных печатных плат — это их сложность и дороговизна в ремонте и производстве, из-за чего их использование может быть ограничено.
Что касается печатных узлов на гибкой подложке (гибкие печатные платы, ГПП), они менее популярны, но могут быть уместны в особых условиях. Их толщина колеблется между 0,1 и 0,5 мм, а конструктивно они схожи с ОПП или ДПП. Сферы применения ГПП включают электронное оборудование, работающее в условиях вибраций или повторяющихся изгибов.
Для замены традиционных кабелей и жгутов иногда используются ГПК — гибкие многослойные печатные узлы. Эта технология позволяет упростить сборку и обслуживание электронных комплексов там, где важно сохранение пространства и уменьшение веса.
Подготовка печатных плат к монтажу в условиях серийного производства
Последовательность действий при создании печатной платы напрямую зависит от применения технологического процесса. Для процесса поверхностного монтажа характерно размещение электронных компонентов на плате с отступом не менее 1 мм от её краёв. Также критично соблюдение минимального интервала в 0,2 мм между элементами, поскольку уменьшение дистанции усложняет процесс монтажа и последующего ремонта печатного узла. Для разработки топологии печатных плат используют такие программы, как PROTEL 99SE, CAM350, ODB, PROTEL DXP, Gerber.
В рамках подготовительных работ перед производством партии осуществляется тщательная проверка позиционирования переходных отверстий. Категорически важно избегать формирования пазов в непосредственной близости к корпусным компонентам, а также исключить размещение элементов на контактных площадках. Обязательно соблюдаются технологические поля при их наличии.
Для предотвращения электрических коротких замыканий при монтаже микросхем с небольшим расстоянием между контактами применяются специальные методы, включая использование тонких печатных проводников и термических барьеров, защищающих компоненты от нежелательного соединения с заземлением или линиями питания.
В рамках подготовки к производству осуществляется нанесение опорных маркеров, минимум трёх, для обеспечения точности установки компонентов, и происходит рассчитанное распределение полигонов на обеих сторонах платы.
При использовании автоматизированных линий сборки печатные узлы часто объединяют в единую мультипанель для оптимизации процесса монтажа.
5 типов компоновок
Согласно установленному стандарту, первая конструктивная конфигурация реализуется по принципу ОПП+ПМ. Процесс соединения элементов осуществляется методом оплавления. В процессе сборки активно используются элементы, предназначенные для навесного монтажа. Весь цикл производства делится на три основные операции: нанесение паяльной пасты, монтаж компонентов и процесс пайки.
Вторая конструктивная конфигурация представляет собой комбинацию ОПП и технологии пайки погружением. Этот технологический процесс включает в себя следующие этапы:
- аппликация клеящего вещества;
- размещение компонентов на плате;
- затвердевание клеевого слоя;
- переворот печатного модуля;
- проведение операции волновой пайки.
Третий конструктивный формат заключается в использовании двухсторонних печатных плат (ДПП) и комбинированного метода для соединения компонентов. Процесс начинается с нанесения паяльной пасты. Весь технологический процесс охватывает по меньшей мере десять различных операций, включая оплавление, погружение и волновой метод соединения.
В четвертом конструктивном формате применяется другое сочетание технологий по сравнению с третьим форматом и включает в себя восемь базовых операций. Этот формат также использует двухсторонние печатные платы (ДПП), а компоненты крепятся с помощью пайки плавлением и вручную.
Пятый вариант конструкции также базируется на ДПП и использует комбинированный подход для соединения деталей. Технологический процесс состоит из одиннадцати операций. Особенность этой схемы заключается в том, что для пайки используется исключительно волновой метод с припоем. Данная операция выполняется несколько раз:
- после того как печатная плата была повернута;
- после затвердевания припоя и клея.
Стоимость монтажа печатных плат
Стоимость предоставления услуги по производству печатных плат формируется на основе ряда составляющих. К ним относятся расходы на приобретение компонентов, выбор материала подложки, уровень сложности проекта печатной платы и применяемые технологические методы. Также на окончательную цену оказывают влияние индивидуальные требования заказчика и специфика производственных мощностей компании, в том числе оснащение современным оборудованием.
Качество готового печатного изделия во многом зависит от типа используемого материала, его толщины, которая варьируется от 0,2 до 3,0 мм, а также от необходимости специального покрытия. В качестве базовых материалов для печатных плат обычно используют:
– Органические диэлектрики, такие как текстолит, гетинакс или стеклотекстолит;
– Керамические материалы;
– Металлические основы, включая инварные листы, алюминий или сталь с определенным видом покрытия.
Подложки из органических диэлектриков являются наиболее экономичным вариантом на рынке. Керамические платы предпочтительны при необходимости обеспечения высокого уровня теплоотвода и компактности устройства. Среди наиболее распространенных материалов выделяют FR-1, FR-4, CEM-3 и CEM-1. Металлические платы отличаются своей прочностью и надежностью в эксплуатации.
Цена монтажа печатных плат зависит от выбора технологий:
Опорная поверхность подвергается электрохимической обработке или нанесению слоев путем травления. Также применяются сочетанные методики.
Сложность и затраты труда в процессе зависят от выбранного способа соединения различных слоев и деталей. На производственных линиях используются методы пистолетного напыления и создания металлизированных покрытий.
Для формирования необходимого дизайна используют техники работы с ламинированными диэлектрическими материалами и методы нанесения проводящих слоев, используемые в гибридных электронных схемах.
При расчете затрат труда учитываются и вторичные операции, такие как нанесение лакокрасочного покрытия, обрезка концов и разделение комплектованных панелей.
Техническая сложность печатных узлов определяется по нескольким параметрам, таким как плотность компонентов на единицу площади, интервалы между дорожками, число точек для сверления и пайки, а также особенности конструкции, включая односторонние, двусторонние и многослойные печатные платы (ОПП, ДПП и МПП соответственно).
Компании «X Electronics» предоставляет полный пакет услуг:
- Производство электронных модулей;
- Комплексное исполнение заказов на сборку стандартизированной аппаратуры, наработка опыта составляет свыше 10 лет;
- Разработка инновационного производственного оборудования, включая одноплатные компьютеры на базе процессоров от Эльбрус, Intel Atom и Байкал;
- Создание OEM-устройств и инструментария, таких как сенсоры, электронные модули, модемы и другие элементы.
