Тема 3-3-2

Конвекционная пайка лишена недостатков, связанных с теплопередачей излучением. Но управлять горячим воздухом труднее и технически сложнее. Конвекционная пайка реализуется в камерных или конвейерных печах. Камерные печи используются в лабораторных условиях, в единичном или мелкосерийном производстве. Конвейерные печи встраиваются в сборочные линии и используются, как правило, в крупносерийном производстве.

Вкамерных печах отработка профиля пайки осуществляется путем изменения температуры внутри камеры со временем, в конвейерных – перемещением платы по конвейеру через несколько зон печи (зоны нагрева и охлаждения). Как правило, максимальная температура, при которой происходит непосредственно оплавление пасты, составляет 210÷220 °C. Плата находится в печи при максимальной температуре в течение всего нескольких секунд, после чего производится ее охлаждение.

Вряде случаев применяется пайка в инертной среде, при которой осуществляется впуск азота в рабочую область печи. Эта операция используется для сведения к минимуму окислительного процесса. Пайка в инертной среде потребует большого расхода азота, что повлечет за собой использование азотной станции с существенными дополнительными расходами. Использование азотной среды при конвекционной пайке оправдано только в условиях серийного производства при изготовлении сложных модулей, требующих высокого качества исполнения.

Контроль и испытания печатных плат и электронных средств

Контроль в сборочном производстве печатных плат

На всех стадиях сборочно-монтажных операций выполняются операции контроля: входной контроль, операционный контроль, выходной контроль. По степени охвата большинство операций относятся к сплошному контролю, т.е. проверке подвергаются все модули. Обнаруженные дефекты фиксируются в сопроводительной документации на узел для последующего устранения, для статистического учета и с целью выявления и устранения причин их появления. Протоколирование дефектов в соответствии с программой ведет и автоматическое оборудование.

Выделяют следующие виды контроля:

1. Визуальный контроль с помощью оператора – самый распространенный способ.

Оборудование – микроскоп с увеличением от 2 до 10 раз. Качество контроля зависит от квалификации оператора. Такой контроль применяется в лабораторных условиях или на опытном производстве. В сборочных линиях контроль осуществляют автоматические установки.

2. Автоматическая оптическая инспекция (АОИ).

АОИ позволяет контролировать:

–нанесение припойной пасты (недостаточное, избыточное, неточное, позиционирование трафарета);

–качество позиционирования компонентов (отсутствие/наличие компонента, точность позиционирования, включая разворот по горизонтали и вертикали, несоответствие полярности или номера вывода, дефект вывода, наличие посторонних предметов);

–качество паяного соединения (короткое замыкание, непропай, несмачиваемость, излишек или недостаток припоя).

Основой АОИ является формирование изображений объектов и анализ характерных особенностей их элементов. Двухмерное изображение объекта формируется оптическими матрицами. Для повышения контрастности изображения используют дополнительное освещение инспектируемой поверхности. Изображение оцифровывается, и формируется

матрица, несущая информацию об объекте. Сформированная картинка может сравниваться с эталонным изображением платы или с информацией о сборке на основании данных CAD и Gerber-файлов. Такие системы позволяют выполнять 100%-ный контроль плат со скоростью до 150 000 компонентов в час, но чувствительны к смене материала платы и компонентов.

Большинство АОИ хорошо обнаруживают дефекты расположения компонентов и с меньшим успехом различают дефекты нанесения припойной пасты или качество пайки.

3. Рентгеновские контрольные технологические установки (РКТУ).

Для контроля качества внутренних слоев ПП и качества пайки некоторых типов компонентов применяется анализ изображений, полученных с помощью рентгеновских установок. Изображение внутренних слоев МПП и паяных соединений шариковых выводов корпусов типа BGA, скрытых под днищем микросхемы, может быть получено благодаря высокой проникающей способности рентгеновских лучей и разной способности материалов поглощать рентгеновские кванты.

Рентгеновские лучи позволяют получать изображения с разрешением от 0,5 до единиц микрон. Достаточно хорошо с помощью РКТУ идентифицируются дефекты пайки (непропаи и короткие замыкания), скрытые под корпусами микросхем. С помощью рентгеновского контроля можно обнаружить дефекты типа пустот внутри паяных соединений. Широкое применение рентгеновский контроль нашел в производстве МПП для обнаружения дефектов ширины внутренних проводящих дорожек, расслоения диэлектрика и других. Однако установки весьма дороги, для них характерна низкая скорость контроля, повышенные эксплуатационные расходы.

4. Электрический контроль.

При тестировании электрическим методом платы устанавливаются на адаптеры, построенные по принципу «поля контактов». Для обнаружения коротких замыканий и обрывов, тестирования изоляции на утечку и пробой. Тестирование плат при помощи этого метода занимает несколько секунд. Сложности возникают при перенастройки аппаратуры на другой тип плат.

Лучшее решение для производства с большой номенклатурой – применение оборудования, работающего по методу «летающих пробников». Тестеры имеют несколько головок с приводами по осям X, Y, Z, на каждой из которых установлен пробник. Головки поочередно контактируют с платой с подачей и измерением сигнала, для перехода от одной платы к другой достаточно изменить программу тестирования. Программы перемещения пробников методом трансляции из систем CAD значительно сокращают время подготовки тестовой обработки. Вместе с тем метод «летающих пробников» не обеспечивает высокой производительности тестирования, хотя цена на оборудование достаточно высока.

5. Внутрисхемное тестирование выполняет проверку отдельных компонентов на плате или фрагментов схем. Применяются методы исключения влияния параллельных цепей. Внутрисхемное тестирование подразделяется в свою очередь на аналоговое и цифровое.

При аналоговом внутрисхемном тестировании обычно проверяется: наличие коротких замыканий и обрывов; номиналы дискретных компонентов (резисторов, конденсаторов, индуктивностей, дискретных полупроводниковых приборов); наличие и правильность установки микросхем.

При цифровом внутрисхемном тестировании цифровые микросхемы проверяются на соответствие таблице истинности.

6. Функциональное тестирование предназначено для проверки работоспособности модуля и, при необходимости, его регулировки и настройки. Контакт с изделием осуществляется обычно через краевой разъем. Тестовое оборудование, применяемое при функциональном тестировании, выполняет:

– подачу питающего напряжения с возможностью изменения его в автоматическом режиме, от минимального до максимально допустимого;

–подачу цифровых и аналоговых входных сигналов в широком диапазоне частот и напряжений;

–измерение параметров выходных сигналов;

–эмуляцию нагрузок;

–обмен данными с тестируемым устройством;

–обработку результатов измерений и вывод их на дисплей и принтер в удобном для пользователя виде;

–накопление и обработку статистической информации.

Технологии современного производства постоянно совершенствуются, и в условиях жесткой конкуренции все острее ощущается проблема качества.

Ремонт печатных плат

Большое количество контрольных операций в сборочном производстве направлено на как можно раннее обнаружение возможных дефектов. Многие ошибки установки компонентов на плату автоматическое сборочное оборудование может устранять самостоятельно. При дефектах нанесения припойной пасты плата очищается и поступает на повторную операцию трафаретной печати.

Операция ремонта узлов выполняется вручную, включается в процесс сборки после стадии пайки узла и соответствующей операции контроля. Ремонт узла заключается, как правило, в замене дефектного компонента или корректировки дефектного паяного соединения в соответствии с рекомендациями стандартов на ремонтные операции. Операция ремонта узла должна быть экономически целесообразной, поскольку процесс замены дефектных компонентов на уже собранной плате чрезвычайно трудоемок и чреват внесением дополнительных дефектов. Поэтому должны учитываться многие факторы, в том числе стоимость узла, дефектного компонента, трудозатраты на ремонт и другие. Дешевые сборки целесообразнее выбрасывать, нежели ремонтировать.

Демонтаж сложных компонентов поверхностного монтажа является прецизионной операцией из-за высокой плотности монтажа. Тепло, необходимое для отпайки компонента, может оказать воздействие на соседние чувствительные к нагреву компоненты и повредить саму ПП. Учет на стадии проектирования требований по обеспечению ремонтопригодности изделия налагает определенные ограничения на процессы сборки и монтажа и в некоторой степени снижает плотность монтажа.

При демонтаже компонентов в корпусах сложной конфигурации доминирующим способом теплопередачи становится конвекция. Приспособление для демонтажа забракованных компонентов оснащено нагревательными капиллярами для разогрева мест пайки со сменными наконечниками, рассчитанными на различные формы и размеры компонентов. Капилляры с наконечниками сконструированы таким образом, что струя горячего газа (воздуха) направляется на выводы компонента. Удаление дефектного и установка на его место исправного компонента производится с помощью вакуумного пинцета. В ряде случаев используется микроскоп, который обеспечивает контроль точности позиционирования компонента. Типичная операция по исправлению брака может занять до 30 минут и включает следующие этапы.

1. Подготовка платы к демонтажу компонента:

–очистка паяных соединений, удаление загрязнений и конформных покрытий с помощью растворителя или абразивного материала;

–снятие теплоотвода (если он имеется);

–защита соседних компонентов;

–покрытие флюсом концов выводов компонента, припаянных на контактных площадках платы, с целью обеспечения надежного расплавления припоя.

2. Разогрев паяных соединений:

–предварительный разогрев микросборки;

–разогрев выводов исключительно горячим газом (воздухом или азотом). 3. Снятие компонента со знакоместа с помощью вакуумного пинцета.

4. Очистка платы, удаление остатков флюса, загрязнений и излишков припоя. 5. Защита подготовленного знакоместа, если замена компонента откладывается. 6. Замена компонента:

–нанесение флюса на концы выводов компонента и места пайки с последующим их облуживанием;

–позиционирование компонента с помощью вакуумного пинцета;

–оплавление припоя горячим газом;

–очистка платы после пайки с целью удаления продуктов разложения флюса. Исправление брака, в сущности, сводится к повторному выполнению определенной

части сборочно-монтажных операций. Необходим тщательный контроль и управление процессом устранения брака, чтобы исключить возможность повреждения годного (заменяющего бракованный) компонента, а также соседних компонентов и элементов коммутационной платы. Надежной гарантией от проблем, связанных с ремонтом изделий, является обеспечение высокого качества процесса сборки и обязательный контроль процесса монтажа.

Контроль ЭС

Системы контроля можно разделить на: программные, аппаратурные и программноаппаратурные.

Программный контроль разделяют на программно-логический и тестовый. Программно-логический контроль заключается в том, что при составлении программы в

нее включаются дополнительные операции, имеющие математическую связь с алгоритмом основной задачи. Однако это не всегда удается, так как не всегда удается находить удобные соотношения, требующие небольшого числа контрольных операций, а в ряде случаев они вообще не осуществляют. Поэтому применяют двойной пересчет. В качестве контрольного соотношения принимают совпадение результатов первого и второго пересчета. Двойной пересчет не позволяет устанавливать причину ошибки и не всегда обнаруживает систематические ошибки.

Тестовый контроль – периодический контроль ЭС с помощью специальных испытательных программ (тестов). Анализ результатов прохождения тестов позволяет судить о состоянии ЭС. В зависимости от назначения применяют тесты: наладочные, проверочные, контрольные, диагностические и др.

Наладочные тесты служат для выявления грубых ошибок (в монтаже, логике работы отдельных блоков и др.).

Проверочные тесты используют в процессе эксплуатации ЭС для оценки ее работоспособности и поиска неисправностей. Они обеспечивают достаточно полный контроль и включают в себя ряд обслуживающих операций, которые облегчают поиск неисправности.

Контрольные тесты выполняются через определенные интервалы времени: они проверяют работоспособность ЭС, работающие в остальное время в обычном режиме.

Диагностические тесты обеспечивают ускорение поиска неисправностей с указанием ее места. Между проверяющими и диагностическими тестами нет четкой разницы. Как правило, диагностические тесты строятся на базе проверяющих, то есть используют сведения о состоянии устройства, полученные в результате применения проверяющих тестов.

Программные методы контроля не требуют дополнительной аппаратуры и могут применяться в любом ЭС, где предусмотрено программное управление функционированием.

Аппаратурный (схемный) контроль ЭС связан с введением в его структуру дополнительного оборудования, предназначенного для обнаружения ошибок при переработке

информации. Примером схемного контроля может служить широко используемый способ “четности” для проверки передачи информации между устройствами ЭС. Программно-аппаратурный контроль обладает достоинствами обоих методов контроля. Обнаружение ошибок выполняется средствами аппаратурного контроля, а сами ошибки устраняют специальной программой, которая включается в работу по сигналу ошибки, вырабатываемому аппаратными средствами. Основное время функционирования ЭС в этом случае снижается незначительно, так как контрольная программа включается редко, в тоже время объем дополнительного оборудования становится значительно меньше.

Испытания ЭС. Виды испытаний

Испытанием электронной аппаратуры называется экспериментальное определение значений параметров и показателей качества изделия в процессе функционирования или при воспроизведении определенных воздействий на аппаратуру по заданной программе. Испытания являются одним из важнейших и завершающих этапов производства, т.к. по их результатам судят по эксплуатационной надежности изделия.

Испытания могут быть контрольными – с целью контроля качества продукции и исследовательскими, проводимые для установления зависимостей между предельно допустимыми значениями параметров продукции и значениями режимов эксплуатации называемыми граничными.

По срокам проведения испытания делят на нормальные и ускоренные. Ускоренными называют испытания, дающие информацию о показателях качества в более короткие сроки, чем в нормальных условиях эксплуатации. Они могут быть форсированными и сокращенными. Форсированные испытания основаны на интенсификации процессов, вызывающих отказы или повреждения путем увеличения нагрузок (температуры, давления, скоростей и т.д.). Сокращенные испытания обеспечивают уменьшение сроков испытаний за счет получения дополнительной информации вне испытания, применяя экстраполяции и другие методы без интенсификации причин отказов.

По методу проведения испытаний различают испытания разрушающие и неразрушающие.

Испытания проводят на этапах производства и эксплуатации. Различают испытания опытных образцов и изделий, изготовляемых серийно. Основной задачей испытаний опытных образцов является наиболее полное выявление соответствия их технологических и эксплуатационных характеристик, требованиям технических условий. По результатам этих испытаний, называемых приемочными, решают вопрос о целесообразности внедрения опытных образцов в серийное производство. В связи с этим испытания проводят очень тщательно по расширенной программе при жестких режимах и длительных воздействиях различных климатических и механических факторов.

Для опытных образцов и изделий единичного производства применяют испытания следующих видов:

предварительные,

доводочные,

ведомственные,

межведомственные,

государственные (лицензионные).

Предварительные (контрольные) испытания опытных изделий проводят для определения возможности их предъявления на приемочные испытания. Доводочные испытания применяют в процессе разработки продукции для оценки влияния вносимых в нее изменений с целью обеспечения требуемых показателей качества.

Изделия, изготовляемые серийно, подвергают

контрольным испытаниям,

приемо-сдаточным,

периодическим,

типовым,

аттестационным.

Приемосдаточные испытания имеют целью проверки соответствия изготовленных

изделий требованиям технических условий. Периодические испытания проводят в тех случаях, когда технические характеристики невозможно определять при приемосдаточных испытаниях. Периодические испытания позволяют следить за поддержанием качества продукции на требуемом уровне. Типовые испытания готовых изделий проводят до, и после внесения изменений в конструкцию или технологию изготовления с целью проверки эффективности внесенных изменений или сравнения качества продукции, выпущенной в различное время. Типовые испытания должны осуществляться по программе ,обеспечивающей сопоставимость результатов испытаний до и после внесений изменений. Аттестационные испытания служат для оценки уровня качества продукции. Испытания двух или большего числа изделий, проводимые в идентичных условиях для сравнения характеристик их качества, называют сравнительными.

Разновидностью контрольных испытаний являются оценочные. Их проводят для такой оценки качества продукции, при которой не требуется определять значения ее параметров.

Контрольные испытания могут быть сплошными или выборочными. При сплошных испытаниях проверяют каждое изделие, а при выборочных только часть и по полученным данным судят о годности всей партии. При разработке выборочного контроля необходимо установить число испытуемых изделий, продолжительность испытаний и приемочное число (ПЧ). Под ПЧ понимают наибольшее число дефектных изделий в выборке, при котором результаты испытаний можно считать положительными. Если число дефектных изделий больше чем ПЧ, результаты испытаний считают отрицательными. В последнем случае возможны два решения: продолжить контроль или забраковать всю партию, которая может быть подвергнута сплошной проверке или возвращена изготовителю (исполнителю).

Вероятность приемки партии изделий, качество которых не соответствует установленному допустимому проценту дефектных изделий (ДПДИ), называют риском заказчика (РЗ). По согласованию между заказчиком и изготовителем устанавливают приемлемый уровень качества (УК) изделий. Вероятность забракования партии изделий, качество которых соответствует УК, называют риском изготовителя (РИ).

Объем и последовательность испытаний изделий определяется программой испытания и техническими требованиями на конкретное изделие. Основным требованием к изделиям, подвергаемым климатическим, механическим и электрическим испытаниям, является сохранение выходных (проверяемых) параметров после проведения испытания в пределах, установленных техническими условиями.

Изделия перед испытанием должны пройти контроль и этап приработки. Приработка уменьшает вероятность отказов, вызванных скрытыми дефектами производства. Приработка значительно удлиняет цикл изготовления, но повышает надежность продукции. Весьма важным является установление времени и режимов (тепловых и электрических) для выполнения этой операции.