ГИБКИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ СИСТЕМЫ СБОРКИ И МОНТАЖАЭЛЕКТРОННЫХ МОДУЛЕЙ 1-го УРОВНЯ РАЗУКРУПНЕНИЯ МЭА
Сборка и монтаж являются одним иззаключительных этапов производства МЭА, заключающимся в механическом иэлектрическом соединении в единое целое в соответствии с техническойдокументацией совокупности деталей, узлов, приборов (как покупных, так исобственного изготовления) с целью изготовления МЭА.
Для правильно спроектированной МЭА,сборка и монтаж является последним этапом ее производства, в такой МЭА настроечнорегулировочные работы отсутствуют, а контроль электрических и радиотехническихпараметров собранных изделий является неотъемлемой частью технологическогопроцесса (ТП) сборки и монтажа.
Трудоемкость сборочно-монтажных работсоставляет 40—60 % общей трудоемкости изготовления МЭА. Трудоемкость изготовленияэлектронных модулей 1-го уровня (ЭМ-1) разукрупнения МЭА- ЭМ-1 на печатныхплатах (ПП) — составляет около половины трудоемкости всех сборочно-монтажныхработ. В связи с этим повышение производительности труда на сборке и монтажеЭМ-1 за счет автоматизации ТП, является важнейшей задачей в делесовершенствования производства МЭА, одним из перспективных путей решениякоторой является создание ГПС сборки и монтажа ЭМ-1.Конструкторско-технологическаяхарактеристика ЭМ-1, изготавливаемых в ГПС сборки и монтажа
Определение основныхконструкторско-технологических характеристик ЭМ-1 предполагает анализ:элементной базы ЭМ-1 с позиций ее конструкторско-технологической классификации,вариантов поставки, предъявляемых к ней технических требований; конструкторско-технологическихособенностей монтажно-коммутационных оснований (печатных плат); типовыхконструкций ЭМ-1; типовых ТП сборки и монтажа ЭМ-1 в условиях ГПС. Перейдем кпоследовательному рассмотрению перечисленных выше вопросов.
Краткая конструкторско-технологическаяхарактеристика элементной базы ЭМ-1
Элементная база РЭА (ЭМ-1 в томчисле) состоит, в основном, из изделий электронной техники (ИЭТ) иэлектротехники, которые по своим конструкторско-технологическим особенностямподразделяются на 10 групп:
неполярные ИЭТ с цилиндрической илипрямоугольной формой корпуса и осевыми выводами (резисторы, конденсаторы и др);
полярные ИЭТ с цилиндрической формойкорпуса и осевыми выводами (диоды, конденсаторы);
ИЭТ с прямоугольной и дисковойформами корпуса и двумя
однонаправленными выводами (конденсаторы и д.);
полярные ИЭТ с цилиндрической формойкорпуса и двумя одно направленными выводами (конденсаторы электролитические идр.);
ИЭТ с цилиндрической формой корпуса сдвумя и более параллельными выводами;
ИЭТ с прямоугольной формой корпуса сдвумя и более однонаправленными выводами (ИС в корпусах «Тропа»,«Посол» и др.);
ИЭТ с цилиндрической формой корпуса сдвумя и более однонаправленными выводами (транзисторы и ИС в корпусах типа«ТО» и Др.);
ИЭТ с прямоугольной и цилиндрическойформой пластмассового корпуса с тремя однонаправленными выводами (транзисторы вкорпусах типа КТ и др.) ;
ИЭТ с прямоугольной формой корпуса идвухсторонним расположением выводов, перпендикулярно основанию корпуса (ИС,резисторные диоды и транзисторные сборки в корпусах типа 2 (ДИП) и др.) ;
ИЭТ с прямоугольной формой корпуса и2- или 4- сторонним расположением выводов параллельно корпуса (ИС, резисторныедиодные транзисторные сборки в корпусах типа 4, и др.).
Таким образом перечисленныерадиоэлементы, полупроводниковые приборы, интегральные микросхемы,электрические характеристики (разъемы) характеризуются следующими параметрами:массой, габаритными размерами, жесткостью выводов, точностью изготовлениякорпусов, конфигурацией, наличием и видом ключей, видом поставки, допустимымивеличинами механических воздействий на корпус и выводы (растягивающих исжимающих усилий, возникающих в процессе формовки выводов). Промышленностьювыпускаются радиоэлементы, микросхемы различной формы корпуса:
· прямоугольнойформы с планарными выводами (габаритные размеры: А X В — 7,5 X 7,5 мм; А X В — 52,5 X 22,5 мм);
· цилиндрическойформы с осевыми выводами (габаритные размеры Д X Н-2Х 6мм; ДХН-20Х 26мм);
· цилиндрическойформы с радиальными выводами (габаритные размеры: Д X Н — 4,5 X 3 мм; Д X Н — 25 X 10 мм);
· дисковой формыгабаритные размеры: Д X Н 5,0 X 1 мм; Д X Н -17X5 мм);
· квадратной формы(габаритные размеры: А X В 4,5 X 4,5 мм; А X В 25X25 мм);
· прямоугольнойформы (габаритные размеры: АХВ95Х6,5мм; АХ В 59,5X26,5 мм).
Высота корпуса перечисленныхрадиоэлементов колеблется в пределах от 2,5 до 50 мм, а их масса — от десятых долей граммов до сотен граммов.
Выводы радиоэлементов, микросхем имеют круглое илипрямоугольное сечение. Длина выводов колеблется от 4 до 40 мм. Для выводов используются материалы: медь, платинит, ковар с модулями упругости для указанногоматериала Е = 2,1 X 10 ~6 -г 2,5 X 10 Т6 кг/см2.
Особенности состояния поставкиэлементной базы для условий автоматизированной сборки МЭА (ЭМ-1) в условиях ГПС
ИЭТ одного типоразмера, выпускаемые различнымипредприятиями-изготовителями, должны иметь единое конструктивное исполнениегабаритно-присоединительные размеры и должны изготавливаться по единойконструкторско-технологической документации.
Для автоматизации операций ориентации ИЭТ и контроляправильности установки его в электронных модулях при выполнениисборочно-монтажных работ ИЭТ должны иметь четко выраженный и конструктивнооформленный ключ. Ключ, выполненный в виде скоса (выступа, выемки и прочее) накорпусе элемента располагается в зоне первого вывода. Нумерация остальныхвыводов ведется слева направо или по часовой стрелке снизу, т.е. со сторонырасположения выводов. Для некоторых ИЭТ ориентация при установке в МЭА либо неимеет значения, например, для неполярных ИЭТ резисторов, либо обеспечивается засчет упаковки. Так, неполярные ИЭТ — диоды — при упаковке в липкую лентурасполагаются таким образом, чтобы все положительные выводы были направлены водну сторону, а отрицательные — в другую. Лента с положительными выводами приэтом обязательно должна быть цветной.
Важнейшее значение для обеспечения возможности эффективнойавтоматизации имеет упаковка ИЭТ. В соответствии с нормативно-техническимидокументами ИЭТ должны поставляться в следующем виде.
ИЭТ 1-й и 2-й групп поставляются вклеенными в двухряднуюлипкую ленту. Шаг вклейки 5 зависит от диаметра (ширины) элемента и должен бытькратен 5 мм. Ширина липкой ленты а равна 6 или 9 мм. Расстояние между лентами Ъ определяется длиной корпуса ИЭТ и может быть 53, 63 или 73 мм. Полярные ИЭТ вклеиваются в ленту в однозначно ориентированном положении. Положительные выводыИЭТ вклеиваются в цветную ленту.
ИЭТ 3-й, 4-й, и 8-й групп с проволочными выводами, а такжетранзисторы поставляются вклеенными в однорядную перфорированную ленту (рис.1). Ширина ленты а — 18 мм. Шаг вклейки (шаг перфорированных отверстий) s взависимости от размера корпуса ИЭТ составляет 12>7 или 15 мм. Расстояние между выводами ИЭТ b равно 2,5 или 5 мм.
В ряде случаев допускается поставка в однорядной ленте и ИЭТЭ1-й и 2-й групп, когда они устанавливаются на печатные платы в вертикальномположении. Допускается также поставка ИЭТ 3-й и 4-й групп вклеенными вдвухрядную ленту, что обеспечивает возможность их установки на печатные платына автоматах, предназначенных для установки резисторов (в условиях отсутствияспециального технологического оборудования для установки ИЭТ, упакованных воднородную ленту) .
ИЭТ, упакованные в ленты поставляютна катушках вместимостью от одной до пяти тысяч штук ИЭТ с межслойнойпрокладкой, исключающей повреждения изделий и их выводов.
ИЭТ 5-й, 6-й, 7-й, и 9-й групп, как правило, поставляютсяориентированными в специальных прямоточных одноручьевых технологическихкассетах.
ИЭТ 10-й группы поставляются в индивидуальной таре-спутнике,исключающей деформацию корпуса и выводов при их хранении и транспортировании, атакже обеспечивающей возможность свободного доступа к выводам дляавтоматизированного контроля их параметров. Тара-спутник выполняетсядвухдетальной из антистатических материалов. Интегральные схемы (ИС)размещаются в ней строго однозначно — крышкой вниз и с ключом, расположенным всторону двух пазов тары-спутника.
Обратимся теперь к рассмотрению основных техническихтребований, предъявляемых в ИЭТ по их стойкости к технологическим воздействиям.К числу таких требований относятся следующие.
Конструкция ИЭТЭ должна обеспечивать трехкратное воздействиегрупповой пайки и лужения выводов горячим способом без применения теплоотводови образование надежного паяного соединения при температуре пайки не выше 265 °Св течение не более 4 с.
Выводы и контактные площадки ИЭТ должны обеспечиватьпаяемость с использованием спирто-канифольных не активированных флюсов испирто-канифольных не коррозионных слабоактивизированных флюсов (не более 25 %канифоли) без дополнительной подготовки в течение 12 месяцев с моментаизготовления.
/>
Рис.1 — Упаковка ИЭТ в однорядную ленту
Основные технические требования, выдвигаемые применительно кПП для ЭМ-1, изготавливаемой в условиях ГПС сборки и монтажа
1. ПП должны быть прямоугольной формы с соотношением сторонне более чем 1:2. Это необходимо для того, чтобы обеспечить достаточнуюжесткость печатной платы при воздействии на нее механических усилий со стороныавтоматической укладочной головки ГПС.
2. Для фиксации ПП на координатном столе сборочного автоматав конструкции печатных плат должны быть предусмотрены базовые фиксирующиеповерхности, от которых производится отсчет координат монтажных отверстий иликонтактных площадок. Для автоматизированной сборки в качестве базовыхфиксирующих поверхностей можно выбирать отверстия (например, крепежные),расположенные возле одной из сторон ПП или по диагонали. Точность расположенияфиксирующих отверстий должна быть не ниже ± 0,05 мм. Для автоматической сборки в качестве базовых фиксирующих поверхностей следует выбирать двевзаимопенпердикулярные стороны (например, в нижнем левом углу платы).Базирование на угол платы облегчает автоматическую замену любых ПП, в том числеи разных типоразмеров, на сборочном автомате. Базирование на отверстияобеспечивает возможность автоматической замены плат только одного типоразмера.
Предельные отклонения монтажных отверстий и контактныхплощадок от базовых поверхностей должны быть не более ± 0,1 мм.
3. ПП должны иметь зоны, свободные от ИЭТ, для фиксации их внаправляющих координатного стола сборочного автомата, накопителях ПП итранспортной таре. Эти зоны располагаются, как правило, вдоль длинных краев ППна расстоянии 5 мм — для бытовой аппаратуры, и на расстоянии не менее 2,5 мм — для аппаратуры специального назначения.
Перечисленные основные конструкторско-технологическиепризнаки и особенности ИЭТ накладывают существенные ограничения на методы итехнические средства пространственного манипулирования, предъявляют особыетребования к обеспечению технологичности конструкции ЭМ-1 как объектаавтоматической (роботизированной) сборки, прогнозированию и оценке показателясобираемости ЭМ-1, достижению требуемого уровня типизации и унификацииконструкторско-технологических решений ЭМ-1, а также элементов конструкции ТМГПС сборки и монтажа ЭМ-1.
Кратная конструкторско-технологическая характеристика ЭМ-1как объектов автоматизированной сборки и монтажа в ГПС
С позиций сбор и монтажа ЭМ-1 делятся на три группы: ЭМ-1 наИС со штырьковыми выводами; ЭМ-1 на ИС с планарными выводами; ЭМ-1 надискретных ИЭТ .
Определяющим признаком технологической классификации являетсятип элементной базы ЭМ-1, так как именно от нее зависит тип и характертехнологического процесса, который должен быть использован при изготовленииэлектронного модуля. Однако на практике чаще всего встречаются различныекомбинации состава элементной базы, что приводит к необходимости использованияразличных технологических процессов. При этом особенно важна принятаяпоследовательность выполнения операций технологического процесса.
Электронные модули изготовления в условиях ГПС должныудовлетворять следующим техническим требованиям:
1. электронныймодуль должен быть функционально законченным с тем, чтобы его изготовление, втом числе электрический контроль, можно было организовать на специализированномпроизводстве (участке);
2. для обеспечениявозможности применения групповой пайки волной припоя все ИЭТ со штырьковымивыводами должны располагаться на печатной плате только с одной ее стороны. ДляИЭТ с планарными выводами расположение с двух сторон печатной платы;
3. автоматизированнойустановке на печатные платы подвергаются только те ИЭТ, которые не требуютдополнительного крепления;
4. вокруг ИЭТ,устанавливаемый на ПП, должны быть предусмотрены свободные зоны — зоны работыинструмента установочных головок. Для повышения плотности монтажа допускаетсяприменение принципа «наложения» свободных зон. При этом обязательнойстановится необходимость соблюдения такой последовательности установки ИЭТ наплату, при которой первым устанавливается ИЭТ с более широкой зоной, а впоследнюю с наименьшей зоной.
Типовые схемы сборки применительно к типовым конструкциямэлектронных модулей приведены на рис. 2, 3 и 4.
/>
Рис. 2 — Схема технологического процесса сборки ЭМ-1 на ИС соштырьковыми выводами
/>
Рис. 3 — Схема технологического процесса сборки ЭМ-1 на ИС спланарными выводами
/>
Рис. 4 — Схема технологического процесса сборки и монтажаЭМ-1 с применением различной элементной базы.
Из указанных рисунков видно, что сборочно-монтажные работыпри изготовлении ЭМ-1 представляют собой комплекс различных по характерумеханических, физических и химических процессов, сочетающихся между собой втехнологическом процессе в различной последовательности.
Об этом свидетельствуют такие примеры:
· формовка выводов,установка и крепление на печатных платах электрорадиоэлементов и интегральныхсхем — механические процессы;
· обезжиривание,склеивание, отмывка от остатков флюсов после пайки — химические процессы;
· лужение, пайка,сварка — физико-химические и физике-металлургические процессы
· обжимка, накруткамонтажных соединений — физико-механические процессы и т. д.
Все эти обстоятельства серьезно повлияли на необходимостьобеспечения требуемого уровня автоматизации технологических процессов сборки имонтажа ЭМ-1.
Список литературы
1. Р.И. Гжиров, П.П.Серебреницкий. Программирование обработки на станках с чпу. Справочник, — Л.: Машиностроение, 1990. – 592 с.
2. Роботизированные технологические комплексы / Г. И.Костюк, О. О. Баранов, И. Г. Левченко, В. А. Фадеев – Учеб. Пособие. – Харьков.Нац. аэрокосмический университет «ХАИ», 2003. – 214с.
3. Н.П.Меткин, М.С.Лапин, С.А.Клейменов, В.М.Критський.Гибкие производственные системы. – М.: Издательство стандартов, 1989. – 309с.
4. Гибкие робототехнические системы / А. П. Гавриш, Л. С.Ямпольский, — Киев, Головное издательство издательского объединения “Вищашкола”, 1989. — 408с.
5. Широков А.Г. Склады в ГПС. – М.: Машиностроение, 1988.– 216с.
6. Проектирование металлорежущих станков и станочныхсистем: Справочник-учебник в 3-х т. Т. 3: Проектирование станочных систем /Подобщей ред. А.С. Проникова — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана; Изд-во МГТУ«Станкин», 2000. — 584 с.
8. Иванов Ю.В., Лакота Н.А. Гибкая автоматизацияпроизводства производства РЭА с применением микропроцессоров и роботов: Учеб.пособие для вузов. – М.: Радио и связь, 1987. – 464 с.
9. Промышленные роботы: Конструкция, управление,эксплуатация. / Костюк В.И., Гавриш А.П., Ямпольский Л.С., Карлов А.Г. – К.:Высш.шк., 1985. – 359
10. Гибкие производственные комплексы /под.ред.П.Н.Белянина. – М.: Машиностроение, 1984. – 384с.