Проектирование акселерометра

Так как прочность сварного соединения определяется скоростью деформации, то, очевидно, пластичность вывода должна быть максимальной. В этой связи исследованы режимы отжига, обеспечивающие максимальную пластичность алюминиевых выводов. Установлено, что максимальная пластичность достигается при температуре отжига 573 К, а среда отжига существенного влияния на исследуемые механические свойства не оказывает. Кроме того, установленная температура отжига, приводящая к максимальной пластичности выводов, находится в температурном интервале рекристаллизации (563-583 К) для алюминия высокой чистоты, что для нашего случая соответствует температурному интервалу имидизации полиимида при изготовлении ПН. Исходя из рассмотренных закономерностей формирования соединения в процессе сварки, можно рекомендовать оптимальные соотношения режимов сварки.

Однако, как показывает практика, контроль только основных параметров процесса сварки: усилия нагружения, амплитуды колебаний и времени ? не обеспечивает воспроизводимости процесса УЗС и прочности паяных соединений. Обеспечение воспроизводимости качества соединений возможно при разработке способов активного контроля свойств соединения, которые предусматривают ведение процесса пластичного течения металла по поверхности полупроводника таким образом, чтобы, учитывая кинетику УЗС, распределять величину действующих на контактные поверхности нормальных и касательных напряжений и уметь управлять силами контактного трения для реализации процесса схватывания по большой площади контакта при минимальной глубине взаимодействия.

Кроме того, в настоящее время разрабатываются различные установки и способы сборки ИС с термозвуковой разваркой проволочных проводников. Способ [17] обеспечивает повышенную скорость перемещения сварочного инструмента в промежутках между сварками и малоинерционное вертикальное перемещение инструмента в процессе сварки с малым дозированным усилием прижима проволоки к контактной площадке кристалла или вывода корпуса. С этой целью установка снабжена независимыми механизмами, обеспечивающими перемещения инструмента в различные стадии сборочного процесса.

Воспроизводимость прочности соединений при УЗС обеспечивается оптимизацией ряда технологических и аппаратурных параметров, а также правильным подбором свариваемых материалов с соответствующими физико-химическими свойствами. При УЗС плоских выводов на контактные площадки кристаллов прочность соединения зависит от характера деформации. Наиболее высокой прочностью обладает сварное соединение с ребрами жесткости. Такое соединение наиболее оптимально при ограниченной ширине вывода, что крайне важно для современных СБИС, характеризующихся высокой степенью интеграции, малым шагом контактных площадок и, как следствие, узкими (50-100 мкм) балочными выводами гибкого носителя.

В качестве рабочего инструмента, обеспечивающего фиксацию плоского балочного вывода и получение ребер жесткости сварного соединения, используется инструмент с крестообразной канавкой типа ИУ1 по ОСТ11 409. При этом прочность во многом определяется соотношением размеров инструмента, вывода и деформации вывода.

2.4.4 Пайка

Пайка волной припоя

Пайка волной припоя [14] появилась 40 лет назад и в настоящее время достаточно хорошо освоена. Она применяется только для пайки компонентов в отверстиях плат (традиционная технология), хотя некоторые изготовители утверждают, что с ее помощью можно производить пайку поверхностно монтируемых компонентов с несложной конструкцией корпусов, устанавливаемых на одной из сторон коммутационной платы.

Процесс пайки прост. Платы, установленные на транспортере, подвергаются предварительному нагреву, исключающему тепловой удар на этапе пайки. Затем плата проходит над волной припоя. Сама волна, ее форма и динамические характеристики являются наиболее важными параметрами оборудования для пайки.

С помощью сопла можно менять форму волны; в прежних конструкциях установок для пайки применялись симметричные волны. В настоящее время каждый производитель использует свою собственную форму волны (в виде греческой буквы «омега», Z-образную, Т-образную и др.). Направление и скорость движения потока припоя, достигающего платы, также могут варьироваться, но они должны быть одинаковы по всей ширине волны. Угол наклона транспортера для плат тоже регулируется. Некоторые установки для пайки оборудуются дешунтирующим воздушным ножом, который обеспечивает уменьшение количества перемычек припоя. Нож располагается сразу же за участком прохождения волны припоя и включается в работу, когда припой находится еще в расплавленном состоянии на коммутационной плате. Узкий поток нагретого воздуха, движущийся с высокой скоростью, уносит с собой излишки припоя, тем самым разрушая перемычки и способствуя удалению остатков припоя.

Пайка двойной волной припоя

· применять поверхностно монтируемые ИС, не чувствительные к тепловому воздействию;

· снизить скорость транспортера;

· проектировать коммутационную плату таким образом, чтобы исключить эффект затенения.

Хорошо разнесенные, не загораживающие друг друга компоненты способствуют попаданию припоя на каждый требуемый участок платы, но при этом снижается плотность монтажа. При высокой плотности монтажа, которую позволяет реализовать ТПМК, с помощью данного метода практически невозможно пропаять поверхностно монтируемые компоненты с четырехсторонней разводкой выводов (например, кристаллоносители с выводами). Чтобы уменьшить эффект затенения, прямоугольные чипы следует размещать перпендикулярно направлению движения волны.

Пайка расплавлением дозированного припоя в парогазовой среде (ПГС).

Пайка расплавлением дозированного припоя применима только к микросборкам с поверхностным монтажом. Она значительно отличается от ранее описанных методов. Процесс начинается с нанесения способом трафаретной печати припойной пасты на контактные площадки коммутационной платы. Затем на поверхность платы устанавливаются компоненты. В ряде случаев припойную пасту просушивают после нанесения с целью удаления из ее состава летучих ингредиентов или предотвращения смещения компонентов непосредственно перед пайкой. После этого плата разогревается до температуры расплавления припойной пасты. В результате образуется паяное соединение между контактной площадкой платы и выводом компонента. Такая техника пайки применима к коммутационным платам без монтируемых в отверстия компонентов, т. е. с набором только поверхностно монтируемых компонентов любых типов.

Метод пайки в парогазовой фазе является разновидностью пайки расплавлением дозированного припоя, в ходе которой пары специальной жидкости конденсируются на коммутационной плате, отдавая скрытую теплоту парообразования открытым участкам микросборки. При этом припойная паста расплавляется и образует галтель между выводом компонента и контактной площадкой платы. Когда температура платы достигает температуры жидкости, процесс конденсации прекращается, тем самым заканчивается и нагрев пасты. Повышение температуры платы, от ее начальной температуры (например, окружающей среды перед пайкой) до температуры расплавления припоя, осуществляется очень быстро и не поддается регулированию. Поэтому необходим предварительный подогрев платы с компонентами для уменьшения термических напряжений в компонентах и местах их контактов с платой. Температура расплавления припоя также не регулируется и равна температуре кипения используемой при пайке жидкости. Такой жидкостью является инертный фторуглерод, например FC-70.

Существуют два типа установок для пайки в парогазовой фазе: с применением одной либо двух рабочих жидкостей. В первых установках для пайки в ПГС применялись две рабочих жидкости, при этом использовались обычно несколько установок пайки в составе производственной линии. С целью предотвращения утечки паров дорогого фторуглерода и припоя поверх основной технологической среды из инертного фторуглерода создавалась дополнительная технологическая среда из более дешевого фреона. Основной недостаток этих установок состоял в том, что на границе двух технологических сред происходило образование различных кислот. Поэтому для защиты коммутационных плат требовались системы нейтрализации кислот.

Установки для пайки с двумя рабочими жидкостями оказались непригодны для линий сборки электронной аппаратуры. Поэтому в 1981 г. фирмой НТС стали выпускаться установки для пайки в ПГС, встраиваемые в технологические сборочно-монтажные линии. Такие установки имеют относительно небольшие входное и выходное отверстия, позволяющие реализовать систему с одной технологической средой (рис.2.15).

Приведенная на рис.2.15 конструкция обеспечивает возможность включения установки в состав технологической линии.

При использовании установки для пайки в ПГС таких компонентов, как чип-конденсаторы и чип-резисторы, может возникнуть проблема, известная как «эффект опрокидывания компонента». Причина опрокидывания компонентов до конца не изучена, и универсальных средств для избежания этого в настоящее время не существует. Необходимо варьировать параметры процесса пайки до тех пор, пока не прекратится опрокидывание компонентов.

Пайка расплавлением дозированного припоя с инфракрасным нагревом

Основным механизмом передачи тепла, используемым в установках пайки с ИК-нагревом, является излучение. Передача тепла излучением имеет большое преимущество перед теплопередачей за счет теплопроводности и конвекции в описанных ранее методах, так как это единственный из механизмов теплопередачи, обеспечивающий передачу тепловой энергии по всему объему монтируемого устройства. Остальные механизмы теплопередачи обеспечивают передачу тепловой энергии только поверхности монтируемого изделия. В отличие от пайки в ПГС, в процессе пайки с ИК-излучением скорость нагрева регулируется изменением мощности каждого излучателя и скорости движения транспортера с коммутационными платами. Поэтому термические напряжения в компонентах и платах могут быть снижены посредством постепенного нагрева микросборок. Основным недостатком пайки с ИК-нагревом является то, что количество энергии излучения, поглощаемой компонентами и платами, зависит от поглощающей способности материалов, из которых они изготовлены. Поэтому нагрев осуществляется неравномерно в пределах монтируемого устройства. Пайка кристаллоносителей без выводов или с J-образными выводами может оказаться невозможной в установках с ИК-нагревом, если компонент непрозрачен для ИК-излучения.

В некоторых установках для пайки с ИК-нагревом вместо ламп ИК-излучения применяются панельные излучающие системы. В этом случае излучение имеет намного большую длину волны, чем излучение традиционных источников. Излучение такой излучающей системы не нагревает непосредственно микросборку, а поглощается технологической средой, которая в свою очередь передает тепло микросборке за счет конвекции. Этот способ пайки устраняет ряд недостатков, присущих традиционной пайке с ИК-нагревом, таких, как неравномерный прогрев отдельных частей микросборки и невозможность пайки компонентов в корпусах, непрозрачных для ИК-излучения. Панельные излучатели имеют ограниченный срок службы и обеспечивают намного меньшую скорость нагрева, чем традиционные источники ИК-излучения. Однако при их использовании может не потребоваться технологическая среда из инертного газа.

2.5 Технологические среды плотно скомпонованных ячеек ЭУ

Флюс должен удалять окислы с контактируемых металлических поверхностей при пайке. Для эффективного протекания этого процесса очень важно правильно выбрать необходимый температурно-временной режим пайки. Если во время разогрева платы температура повышается слишком быстро, то растворитель, входящий в припойную пасту в составе флюса, сразу испаряется, что приводит к потере активности флюса и разложению или выгоранию его компонентов; при этом расплавление припоя осуществляется неравномерно, а процесс пайки -- непредсказуемо. Если же нагревательный цикл завершен преждевременно, то окислы в местах паяных соединений могут быть не полностью удалены. Формирование слоя припойной пасты рекомендуется производить в химически инертной атмосфере (для избежания окисления припоя). Некоторые, сборочно-монтажные системы разработаны с учетом этой возможности.

2.6 Выбор варианта сборки и монтажа ячеек ЭУ

2.6.1 Высокоплотный монтаж ячеек

Целью процесса монтажа [9] является получение высоконадежных электрических контактов между конструктивами ЭУ, поэтому основным этапом технологического процесса (ТП) монтажа ЭУ является микроконтактирование электропроводящих элементов платы с выводами компонентов.

Высокоплотный монтаж, реализуемый только приемами ТПМ, отличается от традиционного отсутствием монтажных отверстий в КП, малыми размерами навесных компонентов, особенно их выводов, и соответствующими им размерами присоединительных элементов КП, очень узкими промежутками (зависящими от шага выводов ПМК) между элементами КП и малыми расстояниями между компонентами. При таких условиях монтажа традиционные технологии микроконтактирования не только нецелесообразны, но и в большинстве своем непригодны для использования. Эффективность высокоплотного монтажа определяется главным образом применением групповых, поддающихся автоматизации безинструментальных методов микроконтактирования. Автоматизация микроконтактирования в ТПМ является не только средством повышения производительности и технологичности изготовления ЭУ, но и одним из основных гарантов обеспечения качества и надежности получаемых при этом электрических соединений. Только в условиях автоматизации реализуем на должном уровне встроенный контроль выполнения процесса прецизионного монтажа.

Основные требования к автоматизированному процессу микроконтактирования в ТПМ могут быть сформулированы следующим образом:

· неподвижность соединяемых элементов КП и ПМК должна быть обеспечена до микроконтактирования;

· необходимые свойства контактирующих поверхностей материалов должны быть обеспечены до микроконтактирования;

· чистота процесса микроконтактирования должна обеспечиваться применением высокочистых технологических и защитных сред, а также соответствующего прецизионного технологического оборудования;

· затрачиваемая энергия должна быть достаточной для осуществления процесса микроконтактирования с учетом неизбежных потерь тепла при реализации конкретного способа микроконтактирования;

· все средства реализации автоматизированного ТП монтажа, включая контроль, ТС и транспортную систему, должны быть технологически совместимы между собой и с объектом производства.

Таким образом, ТПМ по способам реализации и культуре производства максимально приблизилась к технике изготовления гибридных СБМСБ и превзошла их по уровню автоматизации.

2.6.2 Обоснование выбора метода микроконтактирования

Для количественного описания всех свойств надежности используют пять групп показателей. Так, группа показателей безотказности включает: вероятность безотказной работы, интенсивность отказов, параметр потока отказов, среднюю наработку на отказ, среднюю наработку до отказа и др.; группа показателей долговечности включает: средний ресурс, средний срок службы и др.; группа показателей ремонтопригодности включает: вероятность восстановления, среднее время восстановления работоспособного состояния ЭУ, интенсивность восстановления и др.; группа показателей сохраняемости включает: средний срок сохраняемости и др.; группа комплексных показателей надежности включает: коэффициент оперативной готовности, коэффициент технического использования, коэффициент сохранения эффективности использования ЭУ и др. Эти показатели определяют с применением расчетных методов (в том числе моделирования); экспериментально (по данным испытаний в процессе изготовления ЭУ и при эксплуатации), а также расчетно-экспериментальными методами (например, интерполирования, экстраполирования и др.) с учетом условий эксплуатации.

Методы производственного контроля качества (количественных и качественных характеристик свойств ЭУ) при изготовлении ЭУ должны обеспечивать выпуск каждого изделия с требуемым уровнем безотказности, долговечности и сохраняемости. Все параметры ТП, оказывающие влияние на надежность ЭУ, должны непрерывно контролироваться. Кроме того, необходимо учитывать, что характеристики качества и надежности тесно связаны с экономическими показателями изделий (например, его себестоимостью) и чем выше качество и надежность ЭУ, тем обычно дороже они обходятся производителю и потребителю. В этой связи проще пользоваться дифференциальными критериями для оценки уровня качества продукции, являющимися относительными характеристиками качества, основанными на сравнении показателей качества оцениваемых объектов с соответствующими базовыми (нормативными) показателями.

Малые размеры выводов корпусов ПМК и элементов коммутации КП при высокой плотности монтажа делают ручную визуальную проверку качества паяных соединений неэффективной, а ремонт изделий - крайне затруднительным. Выход из этого положения - совершенствование организации системы контроля на этапе проектирования ЭУ, а также привлечение новейших методов и средств технологического контроля.

Совершенствование методов и средств контроля МЭА направлено на повышение информационной емкости, быстродействия и точности контрольно-измерительной аппаратуры (КИА); широкое использование в КИА микропроцессорной техники, позволяющей управлять измерениями, обработкой и ндикацией их результатов, устройствами сопряжения (например, с более мощным ЭВС) и обеспечивать интерактивный режим работы КИА, отключать ее при перегрузках, сообщать о неисправностях и т.д.; широкое внедрение систем контроля, позволяющих сочетать параметрический и функциональный контроль изделий; разработку новых аналитических методов проверки качества конструктивов ЭУ, упрощающих решение проблемы их контролепригодности; разработку методов контроля с помощью подвижных зондов на базе микро-ЭВМ, а также зондового тест-контроля (в том числе бесконтактными методами); роботизацию контроля для повышения его точности и воспроизводимости при сокращении числа операторов и затрат времени на измерительные операции; упрощение процесса контроля изделий; использование новых, сочетаемых с проверкой качества методов поиска дефектов и восстановления (регенерации) изделий, имеющих устранимые дефекты, включая "скрытые" дефекты.

Контрольная система с двумя подвижными зондами (в виде закаленных бериллиевых игольчатых стержней), управляемыми от ЭВМ, способна последовательно измерять в 32 тысячах контактов (со скоростью 350 контактов в минуту и шагом передвижения 0,05 мм), емкость и сопротивление отдельных участков цепей ЭУ с помощью прецизионных быстродействующих механизмов и приборов, а ЭВМ - проводить идентификацию полученных данных по величине ожидаемого значения.

Такая система позволяет осуществлять одновременный контроль коротких замыканий, обрывов и токов утечки (во время измерения емкости) с выдачей на печатающее устройство данных по дефектам, включая номера дефектных КП либо ЭУ, координаты и диагноз повреждений. Быстродействие специально для этой системы разработанного фарадометра - менее 10 мс; область измерения - 0 - 80; 0 - 800; 0 - 8000 пФ; частота измерения - 10 кГц; точность показаний прибора - 0 25 % с разрешением 0.01 пФ.

Автоматическая контрольная зондовая система с четырьмя подвижными зондами (которые можно устанавливать по два с обеих сторон КП), управляемыми микропроцессором, работает по специальной программе, обеспечивает внутрисхемное тестирование и функциональный контроль ЭУ после монтажа, в том числе для изделий с двухсторонним монтажом. При использовании соответствующих интерфейсов данная система может быть совместима с контроллерами любого типа.

Такие дефекты, как закорачивание цепей, вызванные образованием шариков либо растеканий припоя; локальные непропаи, обычно встречающиеся после ПВП; сдвиг ПМК после окончания сборки из-за недостаточного количества адгезива либо припойной пасты; позиционирование ПМК с неправильными номиналами, либо неправильная их ориентация, что обычно наблюдается при отсутствии маркировки у ПМК, позволяет выявить автоматизированная установка контроля качества сборки и монтажа, которая осуществляет формирование изображения любого участка ЭУ, например паяного соединения, в рентгеновских лучах малой интенсивности, идентификацию рентгенограмм, в данном случае паяных соединений, с эталонными и машинную обработку результатов контроля (рис.2.24).

Метод контроля основан на том, что припои в меньшей степени пропускают рентгеновское излучение, чем другие материалы, например керамика, эпоксидная смола, кремний, медь. В результате на дисплее наблюдается светотеневая картина паяного соединения. По площади и форме области обволакивания припоем (спая контактной площадки КП с выводом ПМК), наличию раковин, посторонних включений, по структуре спая, величине и однородности переходных (интерметаллических) слоев между припоем и контактирующими с ним материалами можно судить об отсутствии либо наличии дефектов в изделиях и выявлять скрытые дефекты, тем самым осуществлять техническую диагностику и прогнозирование надежности ЭУ. Результаты анализа выводятся на дисплей в цифровой форме.

Таким образом, с развитием ТПМ возрастают проблемы обеспечения контролепригодности ЭУ, которые должны решаться на этапе их проектирования. Предпочтительными, очевидно, будут оставаться встроенные схемы самотестирования и бесконтактные средства контроля, практически не ограничивающие плотность ПМ.

2.7 Оценка технологичности ячейки датчика ускорения

В данном разделе был разработан ТП сборки и монтажа ячейки датчика ускорения. На его основе был сделан выбор варианта сборки и монтажа ячейки датчика ускорения. Проанализировав методы и способы реализации ТП сборки и монтажа, для данной ячейки был произведен выбор технологического оборудования, материалов и технологических сред. Для ячейки датчика ускорения была проведена разработка общего алгоритма ТП сборки и монтажа и маршрутной карты. Дана оценка технологичности данной ячейки. Из проведенной работы можно сделать следующие выводы:

- наиболее перспективными считаются операции сборки и монтажа, поддающиеся полной автоматизации;

- для улучшения качества и эксплуатационной надежности рекомендуется все 100% навесных компонентов выбирать только для поверхностного монтажа, что позволит осуществить гибкую автоматизацию всех сборочно-монтажных процессов, используя встроенные средства активного технологического контроля;

- на современном рынке представлен большой выбор оборудования, чем больше функций выполняет то или иное оборудование, тем выше его стоимость, но в большинстве случаев выгоднее с экономической точки зрения приобретать многофункциональное оборудование т.к. оно окупается быстрее и подвергается гибкой автоматизации;

- гибкие производственные системы за счет перепрограммирования функций позволяют сосредоточить на небольшой площади полный набор технологического оборудования; ГПС практически стирают границу между серийным и единичным производством, что в условиях рыночной экономики позволяет своевременно реагировать на быстро меняющийся спрос.

Раздел 3. Функционально-стоимостной анализ ячейки датчика ускорения

В связи с переходом к рыночной экономике при проектировании новых систем все острее встает вопрос конкуренции с аналогичными изделиями как отечественного, так и зарубежного производства. Поэтому вопрос снижения затрат, поиска резервов, улучшения качества остро стоит как на этапе разработки, так и на этапе производства.

После разработки конструкторской документации и изготовления опытных образцов ячейки датчика ускорения было решено произвести анализ конструкции для устранения избыточных затрат при дальнейшей разработке.

В качестве метода исследования был выбран метод функционально-стоимостного анализа (ФСА). Функциональный подход, в отличие от предметного, который используется в большинстве традиционных методов снижения затрат, означает, что объект рационализации понимается и совершенствуется не в своей конкретной реальной форме, а как комплекс функций, которые он выполняет или должен выполнять.

Принцип соответствия значимости и полезности функций затратам на их реализацию отражает цель ФСА и является следствием предыдущего принципа, то есть развитием функционального подхода.

Целью данного функционально-стоимостного анализа является исследование набора возможностей ячейки датчика ускорения, и, при необходимости, коррекция структуры устройства.

Функционально-стоимостной анализ - метод определения стоимости и других характеристик изделий, услуг и потребителей, использующих в качестве основы функции и ресурсы, задействованные в производстве, маркетинге, продаже, доставке, технической поддержке, оказании услуг, обслуживании клиентов, а также обеспечении качества.

В настоящее время существуют три формы ФСА, которые могут использоваться для разных целей и объектов.

Корректирующая форма - методическая разновидность ФСА, используемая для совершенствования освоенных и действующих объектов. Цель - выявление излишних затрат, поиск резервов снижения себестоимости и повышения качества изделий. Это наиболее хорошо разработанная и широко используемая форма, иначе ее называют «ФСА в сфере производства».

Вторая методическая форма ФСА - творческая или «ФСА в сфере проектирования». Она используется на стадиях НИР и ОКР при проектировании новых объектов с целью предотвращения неэффективных решений.

Инверсная форма или «ФСА в сфере применения» - методическая разновидность ФСА, предназначенная для проведения работ по унификации и расширению сфер применения уже спроектированных объектов.

Объектами ФСА могут быть как изделия и их составные части, так и все виды технологической оснастки, специальное оборудование. Наряду с продукцией основного и вспомогательного производств объектами ФСА также являются технологические процессы (заготовительные, обработочные, сборочные, контрольные, складские, транспортные и т.д.). Специфическим объектом ФСА можно считать и управленческие процессы и структуры.

В настоящее время огромную роль приобретает конкурентоспособность разрабатываемых систем и устройств. Достичь этого можно лишь при условии низкой себестоимости их производства.

Официально установлено несколько этапов для ФСА ранее освоенных изделий.

Подготовительный: обучение специалистов основам ФСА; создание организационных предпосылок для внедрения ФСА; выбор объекта ФСА с соответствующим технико-экономическим обоснованием (предпочтительны изделия, идущие на экспорт, нерентабельные, низкого качества, имеющие высокую себестоимость, трудоемкость и материалоемкость производства, большой объем выпуска); определение конкретных целей и задач ФСА выбранного объекта; подбор и утверждение состава исследовательской рабочей группы; составление и утверждение плана-графика проведения ФСА; оформление решения о проведении ФСА в виде распоряжения (приказа) по предприятию.

Информационный: сбор и анализ информации об объекте (экономической, конструкторско-технологической, нормативной, патентной, рекламаций и т. п.); построение структурной модели объекта; определение затрат на создание и функционирование объекта и его частей; сужение зоны анализа - определение зон наибольшего сосредоточения затрат в исследуемом объекте.

Аналитический: выявление и формулировка функций; классификация функций; построение функциональной модели объекта; оценка значимости функций; построение совмещенной (функционально-структурной) модели объекта, расчет затрат по функциям; построение функционально-стоимостной диаграммы объекта; выявление дефектных функциональных зон; формулировка задач совершенствования объекта для последующих этапов ФСА.