1.Техническаяхарактеристика объекта производства.
Микромодуль этажерочного типапредставляет собой набор микроэлементов и перемычек на стандартных микроплатах, собраных в виде этажерки исоединенных между собой проводниками согласно электрической схеме.
В типовом варианте микромодуль заливается эпоксидных компаундом дляпридания ему механической прочности и защиты микроэлементов от воздействиявнешней среды (рис. 1) .
рис.1
Микроплата предназначена для установки на ней навесных миниатюрныхэлектро– и радиоэлементов, печатных элементов ипроводников, осуществляющих соединения элементов внутри микромодуля.
Микроплаты изготовляются из специальной керамики ( имналуид,ультрафарфор) и имеют квадратную форму ( рис. 2) со стороной квадрата 9.6+_ 0.1мм.
рис.2
Типовая микроплата имеет толщину 0.35+_0.05 мм.Помимо типовой имеютсяспециальные микроплаты толщиной до 1.1 мм, имеющие различные конструктивныеотклонения (пазы, отверстия и т.д.).
Типовая микроплата предназначена для перемычек, печатных и объемныхсопротивлений конденсаторов и диодов. Наспециальной микроплате крепятся тяжелые и объемные элементы: транзисторы вметаллическом корпусе, трансформаторы, катушки индуктивности и т.д.
На каждой стороне микроплаты имеется по три металлизированных паза, вкоторые при сборке впаивают соединительные проводники.
Металлизацию осуществляют серебряными или молибдено-марганцевыми пастамис последующим облуживанием припоем ПОС-61 с добавкой 2-3 % серебра.
Для качественной пайки соединительных проводников лужение проводят наглубину 0.3 – 0.5 мм.
Толщина металлизированного слоя должна составлять не более 0.007 мм насторону в плоскости и по торцу микроплаты.
В одном из углов микроплатыимеется ключ – прямоугольный вырез диаметром 1.0х0.5 мм для ориентациимикроэлементов при сборке микромодуля.
Нумерация пазов микроплаты ведется по периметру от короткой стороныключа.
Микроплаты должны быть механически прочными иобладать высокими диэлектрическими свойствами. Сопротивление изоляции междусоседними пазами в нормальных условиях должно быть не мене 10^10 Ом.
Проводники на микроплатах выполняются методом вжигания серебра.Рекомендуемая ширина проводников 1+_ мм; величина зазора между ними не менее0.25 мм.
Допустимый ток для проводника на микроплатах – 0.15Aпри сопротивлении не более 0.1 Ом.
Для механизации и автоматизации сборочных работ микроэлементырасполагаются в микромодуле с определенным шагом, равным 0.25n+0.75 где n=1, 2, 3, …
2.Анализ технологичности.
Технологичной называется конструкциякоторая при минимальной себестоимости наиболее проста в изготовлении.
Технологичная конструкция должна предусматривать:
1. Максимально широкое использование унифицированных
деталей, а такжестандартизованных и нормализованных деталей исборочных единиц.
2. Возможно меньшее количество деталей оригинальной и
сложной формы или различныхнаименований, и возможно большую повторяемость одноименных деталей.
3. Созданиедеталей рациональной формы с легко доступными для
обработки поверхностями идостаточной жесткостью с целью уменьшения трудоемкости механической обработкидеталей и изготовлении приборов.
4. Рациональнымдолжно быть назначение точности размеров и
класса шероховатости поверхности.
5. Наличие на деталяхудобных базирующих поверхностей или
возможность создания вспомогательных баз.
6. Наиболее рациональныйспособ получения заготовки для деталей
с размерами и формами возможноболее близкими к готовым, то есть обеспечитьнаиболее высокий коэффициент использования материала.
7. Полное устранениеили возможно меньшее применение слесарно-пригоночных работ при сборке, путем изготовления
взаимозаменяемых деталей.
8. Упрощение сборки ивозможность выполнения, параллельных во
времени и пространстве сборке, отдельныхсборочных единиц,
приборов.
9. Конструкция должналегко собираться и разбираться, а также
обеспечить доступ к любому механизму для регулировки смазки
ремонта.
Разрабатываемоерешение является технологичным, так как в нем:
1. Производитсясоздание деталей рациональной формы слегко доступными дляобработки поверхностями и достаточной жесткостью с цельюуменьшения трудоемкости механической обработки деталей и изготовленииприборов.
2. Полное устранениеили возможно меньшее применение слесарно-пригоночных работ.
3. Упрощение сборки ивозможность выполнения, параллельных во
времени и пространстве сборке, отдельныхсборочных единиц,
приборов.
4. Возможно меньшее количество деталей оригинальной исложной формы или различных наименований, ивозможно большую повторяемость одноименных деталей.
5. Создание деталейрациональной формы с легко доступными дляобработки поверхностями и достаточной жесткостью с целью уменьшениятрудоемкости механической обработки деталей и изготовленииприборов.
3.Определение типа производства.
Тип производства можно определить по такту выпуска. Такт выпуска представляет отношение действительногофонда времени работы оборудования отнесенное к программе запуска.
tв=Fд*60/Nз
Программа запуска:
Nз=Nb+(2..3%) Nb
Действительный фонд времени работы оборудования :
Fд=Fоб.ном*K ,где K=0,95..0,97
Номинальный фонд времени работы оборудования:
Fоб.ном=[(Дг-Дв-Дпр)*tсм-tсок]*m,
Дг -число дней в году,
Дв-число выходных дней,
Дпр -число праздничных дней ,
tсм-число часов в смене ,
tсок-сокращение числа часов,
m -число смен.
Nз=17000+(0.02)*17000=17340
Fоб.ном=[(365-104-10)*8-6]*2=4004
Fд=4004×0.95=3803.8
tв=3803.8*60/17340=13.2 — Производство серийное.
4. Технологический маршрут изготовлениямикромодуля этажерочного типа применительно к серийному производству.
Технологический маршрут изготовления микромодуляэтажерочного типа применительно к серийному производству представляетсобой следующую последовательность операций:
1. Подготовительная.
2. Комплектациямикроэлементов.
3. Изготовленияперемычек.
4. Луженияпроводников.
5. Луженияпроволоки.
6. Сборка.
7. Пайка.
8. Резкавыводов.
9. Визуальныйконтроль.
10. Контроль технических параметров
11. Приготовление компаунда.
12. Герметизация.
13. Тренировка.
14. Визуальный контроль.
15. Контроль технических параметров.
5.Детальноеописание операций.
Подготовительная операция.
В целях повышения надежности микромодулей и уменьшения процента бракавсе микроэлементы и микроплаты подвергают полному входному контролю.Контроль начинается с проверки упаковкии наличия документации. Далее микроплаты и микроэлементы проверяют по внешнемувиду на отсутствие сколов, трещин, царапин (не глубже 0.1 мм). Проверка ведетсяна микроскопе МБС-2. Габаритные размеры микроплат, высота заполненияметаллизированного паза припоем проверяют с помощью микрометра и специальныхшаблонов в объеме 10 от партии.
Все операции входного контроля контроллеры должны проводить в резиновыхили хлопчатобумажных напальчниках воизбежании загрязнения и “засаливания”печатных проводников и металлизированных пазов микроплат.
Контроль микроэлементов на соответствие техническим условиям поэлектрическим параметрам осуществляется в специальном приспособлении,обеспечивающем одновременное контактирование со всеми двенадцатью пазамимикроплаты. Приспособление подключено к соответствующимконтрольно-измерительным приборам и стендам.
На каждую проверенную партию, а в некоторых случаях на отдельныемикроэлементы, выписывается паспорт с указанием фамилии контролера и датыконтроля.
После проверки микроплаты и микроэлементы укладываются в спецтару с отдельными ячейками, которая заваривается вполиэтиленовую пленку и хранится в эксикаторах или в герметичных шкафах.
Операция комплектации микроэлементов.
Операцию комплектации целесообразно производить сразу же после входногоконтроля. Операция комплектации заключается в раскладке микроэлементов вспецтару, в последовательности, обусловленной схемой сборки микромодуля.Спецтара с укомплектованными микромодулями вновь заваривается в полиэтиленовуюпленку и передается на операцию сборки и пайки.
Операция изготовление перемычек.
В конструкцию микромодуля входятмикроплаты с соединительными проводниками. Количество и разводка проводниковопределяются для каждого микромодуля после составления карты сборки.
Нанесение проводников осуществляют методом вжигания серебряной пасты.Состав пасты: окись серебра 66.8 %, окись висмута 2,4 %, борнокислый свинец1,2 %, касторовое масло 6.4 %, канифольно-скипидарный лак 24,2 %.
Для приготовления серебряной пасты компоненты в необходимых количествахсмешивают и растирают до однородного состояния, периодически добавляя скипидар.
Керамические платы, подлежащие металлизации, промывают в теплом содовомрастворе, затем в проточной воде и помещают в термостат, где сушат притемпературе t=150 Cв течении 20 мин.
Высушенные платы обезжиривают спиртом, после чего сушат на воздухе в течении15 мин или в термостате при температуре 100 С – 5 мин.
Проводники наносят серебряной пастой накерамическую микроплату с помощью сетчатого трафарета. Платы с проводникамиукладывают на шамотные подставки и загружают в муфельную печь. Вжигание производитсяпо следующему режиму :
Время отжига, ч
0-1
1-2
2-3
3-4
4-5
5-6
6-7
7-8
8-9
Температура, С
20-100
100-200
200-300
200-300
300-350
350-400
400-550
550-700
700-800
По достижению 800 Cпечь выключают и охлаждают детали вместе с печью до60 С.
Качество вжигания серебра проверяется визуально. Недопустимо наличиечешуйчатости и стягивания серебра в капли. Сопротивление каждого проводникапроверяется мостом постоянного тока (не должно превышать 0.1 Ом) и подвергаетсяиспытанию на пятикратную перегрузку током 2.5Aв течении 5-10 сек.
Операция лужения проводников.
Микроплаты с нанесенными проводниками облуживают для уменьшениясопротивления печатных проводников и для уменьшения времени пайкисоединительных проводников с пазами микроплат. Облуживание производится, какправило, с помощью вибропинцета с пружинным зажимом. Амплитуда колебанийвибропинцета устанавливается автотрансформатором в пределах 0.005 – 0.1 мм.Правильность выбора амплитуды определяется по отсутствию сосулек и наплывов впазах микроплат. Процесс облуживания протекает следующим образом: Вибропинцетс микроплатой на 0.3-0.5 cек.погружают в флюс ТС-1 и затем быстро переносят к тиглю с припоем ПОС-61 с 3% — ной добавкой серебра. Микроплату в припой погружают на 0.3-0.5 сек и плавноизвлекают из припоя вертикально вверх. Во избежании растворения в расплавленномприпое серебряного покрытия пазов и проводников не допускается выдержка более 2сек. Облуженные микроплаты промывают в спирте-ректификате и сушат на воздухе.
Операция лужения проволоки.
Для соединительных проводников вэтажерочных микромодулях применяется медный провод марки ММ или МТ диаметром0.38 мм. Провод перед сборкой облуживают. Толщина слоя припоя 20-30 мкм. Такимобразов, диаметр облуженного проводника 0.4+_0.001 мм. Для получения заданнойтолщины припоя на проводе применяется принцип принудительного формирования содновременным охлаждением формирующей фильеры сжатым воздухом. Обезжиренныйпровод, намотанный на питающую катушку 1, пропускается через ванну с флюсом 2,ванну с припоем 3, формирующую фильеру 4, механизм подачи провода 5 изакрепляется на катушке 6 (рис.23). Прибор с автоматическим регулированиемподдерживает температуру ванны припоя в предех 250-260 С.
Двигатель приводит в движение механизм протяжки провода. Регулировкаскорости лужения производится автотрансформатором. Воизбежании растворения провода в припое и обрыва остановка движения провода недопускается. Внутренний диаметр формирующей фильеры, изготовленной изтитанового сплава, равен окончательному диаметру облуженой проволоки с учетомнеобходимого наращенного слоя. Попадая в фильеру,припой по мере прохождения по длине формирующего канала вместе с проводом охлаждаетсяи затвердевает. Режим лужения, обеспечивающий получения на проводнике слояприпоя заданной толщины без наплывов и утолщений подбирается регулированиемскорости движения проволоки через фильеру и расходом воздуха черезвоздухопровод, охлаждающий фильеру и провод.
Толщина лужения проволоки контролируется микрометром в процессе лужениябез остановки движения провода. Сопротивление облуженого провода должно бытьменее0.16 ом/м, ток по проводнику – не более 0.5 А. Срокхранения луженого провода перед сборкой не более 15 суток. Внекоторых случаях для увеличения срока хранения провод после луженияпокрывается антикоррозионным флюсом ФПП.
Операция сборки.
Для сборки микроэлементов в пакет применяют различного видауниверсальные и специальные сборники.
В универсальном сборнике (рис. 24) в копирную часть вставляютсякалиброванные плитки.Тем самым в приемной частиобразуются выемки, соответствующие высоте микроэлементов.
Специальные сборники или гребенки набираются из пластин различнойтолщины согласно карте сборки, толщине микроплаты и высоте микроэлемента. Приразвороте вокруг эксцентрично расположенной оси на 180 градусов пластиныобразуют пазы для установки микроэлементов и микроплат.Поскольку операция набора такой гребенки трудоемкая, целесообразно иметькомплект гребенок под каждый тип микромодуля.
Калибровочные плитки и пластинкисборников и гребенок изготовляют из материалов с хорошим теплоотводом.
Микроэлементы устанавливают в пазы специальнойгребенки или в приемную часть универсальной гребенки с помощью пинцета вориентированном положении по ключу согласно карте сборки.
Проводники с питающего устройствав натянутом состоянии тем или иным способом в зависимости от применяемогоприспособления или установки протягивают ориентированно над пазамимикроэлементов, к которым затем прижимаются специальным прижимом илинагревательным элементов.
Операция пайки.
Основным условием, обеспечивающимкачественную и надежную пайку соединительных проводников к микроэлементам,является:
Наличие во всех пазахмикроэлементов дозированного количества неокисленного припоя, использованиесвежелуженных неокисленных проводников и строгое соблюдение режимов пайки.Особенно важное значение имеет выбор способа нагрева и температурный режим.Нагрев, с одной стороны, должен быть достаточным для того, чтобы расплавитьприпой как в пазах микроэлемента, так и на самом проводнике, а с другойстороны, температура нагрева и его длительность не должны приводить кперегрева самих микроэлементов выше 70-80 С во избежание необратимого изменения ихэлектрических параметров.
Экспериментально было определено, что для получения надежного паяногосоединения толщина слоя припоя на соединительном проводнике должна составлять15-20 мкм, а высота заполнения паза припоем на микроплате 0.3-0.5 мм.
С точки зрения качества пайки иминимального теплового воздействия на микроэлементы наилучшим является методселективной пайки в среде инертного газа (рис.25).
рис. 25
Пайка в этом случае производится нагревателем, причем нагреватель имеетформу и размеры, соответствующие боковой стороне микроэлемента. Это позволяетустанавливать режимы пайки для отдельных микроплат, имеющих различные условиятеплоотвода.
Другим преимуществом данного метода является введение защитной среды взону пайки.Роль защитной среды сводится куменьшению парциального давления кислорода и влажности в системе, гдепроисходит пайка, для исключения роста окисной пленки, препятствующей слияниюприпоя паза микроплаты и припоя проводника. В качестве защитной средыприменяется аргон, пропускаемый со скоростью истечения до 3л/мин при давлениина входе системы 0.5 ат.
Проверка качества пайки на прочность шва, определяемого по формуле:
P=G*d*h*p/2
Где G — удельная прочность припоя ПОС-61 г/мм кв. d — диаметр соединительных проводников, мм. h — толщина микроплаты с серебром и припоем, показала,что температура, устанавливаемая натерморегуляторе установки для пайки, может быть рекомендована в пределах200-400 С, причем температура 380 С, как показал опыт работы, являетсяоптимальной для пайки микроплат различных толщины (при соответствующем временипайки.)
Установки для селективной пайки в среде инертного газа состоят изнагревателя, автоматизированного механизма перемещения каретки, гдеустанавливается сборочная рамка, блока регулирования температуры и программногомеханизма .
Программныймеханизм в соответствии с предварительно набранной программой при помощиэлектронных реле времени обеспечивает индивидуальное время пайки микроплат сразличным теплоотводом.
Испытания, проведенные рядом предприятий, показали повышенную надежностьпаяных соединений микромодулей, собранных по методу селективной пайки, посравнению с паяными соединениями микромодулей, собранных другими методами.
При этом требования к микромодулямдолжны быть следующими:
· В пазах собранного микромодуля не должно быть трещинмежду проводом и припоем паза;
· Не должно быть отслоения припоя от керамики плат ипровод должен быть хорошо смочен припоем;
· Перекос микроплат не должен приводить к уменьшениюзазора между соседними микроэлементами.
Операция резки выводов.
Для образования заданной электрической схемы микромодуля необходиморазрезать некоторые проводники в отдельных интервалах между микроэлементами.
Существенных технологических трудностей эта операция не вызывает, однакоследует иметь в виду, что метод разрезки и конструкция инструмента должны бытьвыбраны с таким расчетом, чтобы при разрезке не нагружались рядомрасположенные места пайки и вследствие этого не происходило нарушение паяныхсоединений проводников с микроэлементами.
На (рис.28) показана схема разрезкимикромодульных соединительных проводников. При движении подвижных ножей 1 копир2 вперед происходит разрезка, а отходы остаются между неподвижными ножами 3.При движении назад происходит выталкивание отходов.
Микромодуль 4 при разрезке должен иметь некоторую подвижность длясамоустановки, чтобы не произошло отрыва проводника от места пайки.
После разрезки соединительных проводников производится обрезка выводов иподрезка ключевых выводов.
Контроль производится в специальном контактирующем устройстве,подсоединяемом к измерительному стенду или контрольно – измерительной стойке.
Операцияприготовление компаунда.
Состав компаунда ЭК-16Б в частях по массе:
1. Смолаэпоксидная ЭД-5 100
2. Трикрезилфосфат 20
3. Кварцпылевидный 40
4. Слюдамолотая 20
5. Сажатурбулентная 0.2
6. Полиэтиленполиамин 16
Для приготовления компаунда пылевидный кварц прокаливается в муфельнойпечи при температуре 850 С в течении 2-3 ч и просеивается. Слюда и сажасушатся в термостате при температуре 150 С в течении 2 ч и также просеиваются.Все компоненты компаунда взвешиваются, прогреваются в течение 3ч притемпературе 100 С и загружаются (кроме отвердителя) в фарфоровые барабаны,предварительно наполненные на 1/3 объема фарфоровыми шарами. Перемешиваниекомпозиции производится в течение 3 ч при частоте вращения барабанов 60-70об/мин, затем
cмесь вакуумируется и охлаждается дотемпературы 35-40С. После охлаждения в смесь вводится требуемое количествополиэтиленполиамина и смесь вновь вакуумируется в вакуумном шкафу в течение 5-7мин при температуре 40 С.
Приготовленный таким образом компаунд готов для заливки. Следуетотметить, что жизнеспособность компаунда 30 мин, поэтому его готовят вколичествах, необходимых для работы лишь в данный момент времени.
Перед заливкой формы проходят специальную подготовку. Детали формочищают от остатков компаунда, протирают сухой бязью. На рабочие поверхностиформы и каналы наносится тонкий слой антиадгезионной смазки (гидрофобизирующая жидкость ГКЖ-94).
После сборки формы она прогревается в течении 2 часов при температуре115 С, охлаждается до 30-40 С, разбирается и протирается марлевымтампоном.
Операция rерметизации.
Посколькувакуумплотная герметизация микромодулей с помощью металла, стекла и керамикисложна, экономически целесообразной следует признать герметизацию с помощьюорганических диэлектриков.
Учитываяадгезионные свойства, технологичность и допустимую температуру полимеризации+70 С (допустимая температура термостойкости полупроводниковых микроэлементов+80 С), для герметизации может быть выбран эпоксидный компаунд ЭК-16Б. КомпаундЭК-16Б обладает минимальным воздействием на параметры микроэлементов посравнению с другими компаундами. Заливку микромодулей эпоксидным компаундомЭК-16Б осуществляют методом заливки под вакуумом в открытой форме.
Форма длязаливки(рис.33) представляет собой полностью разборную конструкцию с высокимклассом чистоты обработки оформляющих поверхностей.
В матрицувставляются сухарики, устанавливающие размеры микромодуля в диапазоне от 12 до25 мм, имеющие 12 отверстий с тонкой стенкой для предотвращения заливкикомпаундом соединительных проводников.
Открытая форма позволяет производитьповторное вакуумирование компаунда непосредственно в форме для удаленияпузырьков воздуха из массы компаунда.
Заливка под вакуумом обеспечивает большийпроцент выхода годных микромодулей, а в некоторых случаях, например прииспользовании микроэлементов типа КМOП креплениекоторых на микроплате осуществляется с помощью контактола, является единственновозможной. Эксперименты, проведенные в заводских условиях показали, чтовоздействие на параметры микроэлементов при заливке под вакуумом оказываетсяменьшим, чем при заливке под давлением. Таким образом, метод заливки подвакуумом предпочтительнее, хотя и является менее производительным.
На микромодули перед заливкой надевают специальные полиамидные насадки срезиновой прокладкой оформляющие торцевые стороны микромодуля и предотвращающиепопадание компаунда на выводы. Насадки также смазываются жидкостью ГКЖ-94 илижидким каучуком СКТ.
Микромодули с насадкамиукладываются в формы для заливки. Формы соединяют с помощью ключа и помещают втермостат на 3 ч при температуре 70 С, после чего в них заливают компаунд.Форма с залитыми микромодулями выдерживается на воздухе до 30 мин, затемпомещается в термостат и выдерживается в нем в течении 1.5 ч при температуре 70С.
После отверждения компаунда формаизвлекается из термостата, охлаждается до температуры 30-40 С и разбирается,а насадки с микромодуля снимают. На шлифовальном станке с помощью специальногоприспособления снимается облой с ребер микромодулей. Фаска при снятии облоядолжна быте не более 0.5×45 С. Однаиз граней микромодуля,
неоформленная поверхностью формы,шлифуется на шлифовальном станке при скорости перемещения стола 5-12 м/мин ипоперечной подаче шлифовальной бабки за ход стола от 0.2 – 1.0 мм. Шлифованнаяповерхность лакируется эпоксидным лаком Э-4100 с добавлениемполиэтиленполиамина.
Операция визуального контроля.
Проверка микромодулейпроизводится на отсутствие деформации и обрыва выводов, отсутствие царапин исколов, отсутствие облоя на торцевыхповерхностях, инородных вкраплений, выбоин и других дефектов, ухудшающихвлагоустойчивость и внешний вид микромодуля.
Проверка геометрических размеров микромодулейпроизводится на часовом проекторе ЧП-2 или калибровочными скобами.
Операция тренировки.
Для микромодулей в связи с возрастаниемудельного воздействия температурных, механических и других факторов намикроэлементы характерен резко выраженный период приработки. Это приводит кнеобходимости введения в технологический процесс операции тренировки, какодного из методов, позволяющих выявить и отбраковать дефектные микромодули.Режим тренировки должен предусматривать воздействие на микромодули техфакторов, которые не снижают качество микромодулей,
а лишь ускоряют выявление скрытых дефектов.
Наибольшее распространение получилитермотренировка,
электротренировка, термотоковаятренировка и термоциклирование.
Термотренировка – выдержка при температуре окружающей среды 70С втечении 200 ч. Выбор температуры тренировки обосновывается предельной рабочейтемпературой германиевых полупроводниковых приборов (73 С).
Время тренировки (200 ч)соответствует примерно времени приработки большинства микромодулей.
Электротермотренировка – выдержка притемпературе окружающей среды 70 С в течении 200 ч под электрической нагрузкой,соответствующей рабочему режиму схемы. Электротермотренировка была введена всвязи с малой эффективностью термотренировки для некоторых транзисторных схем(наличии отказов после двухсотчасовой термотренировки). Однако требуемое приэлектротермотренировке сложное и дорогостоящее оборудование (индивидульныестенды, измерительные приборы и т.д.) делает электротермотренировкуэкономически невыгодной и практически нереализуемой, за исключением отдельныхнаиболее ответственных типов схем.
Термотоковая тренировка – выдержка притемпературе окружающей среды 70 С в течении 200 ч под унифицированнойэлектрической нагрузкой: однополупериодное синусоидальное напряжение 6.3 В или12.6 В частотой 50 Гц (в зависимости от типа микромодуля). Термотоковаятренировка для транзисторных схем эффективнее термотренировки и в то же времяне требует сложного оборудования. Герметизированные и прошедшие термотренировкумикромодули проверяют на соответствие техническим условиям. Наиболеерационально начинать контроль микромоду