В СБОРОЧНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ

Полноценное производство включает в себя следующие этапы:

· Входной контроль плат, компонентов, материалов.

· Подготовка компонентов, материалов.

· Нанесение адгезива(клея)/паяльной пасты; контроль качества нанесения материалов.

· Установка компонентов; контроль качества установки.

· Отверждение клея; контроль дефектов установки.

· Оплавление припоя с помощью печей или в машинах пайки волной; контроль качества пайки и дефектов расположения компонентов.

· Отмывка.

· Выходной контроль.

· Ремонт.

· Влагозащита.

· Упаковка.

Кроме этого, оборудование сертифицированного производственного участка, соответствующего современным стандартам (серии ISO 9000), подразумевает целый ряд мероприятий по оборудованию производственных помещений системами антистатики, вентиляции, дымоулавливания и т. д.

Как видно из этапов сборочного процесса, в нем большое место занимают операции контроля: входной контроль, операционный контроль, выходной контроль. По степени охвата большинство операций относятся к сплошному контролю, т. е. проверке подвергаются все модули. Все обнаруженные дефекты фиксируются исполнителями операций в сопроводительной документации на узел для последующего устранения, для статистического учета и для выявления и устранения причин их появления. Протоколирование дефектов в соответствии с программой ведет и автоматическое оборудование.

Визуальный контроль с помощью оператора – самый распространенный способ. Оборудование – микроскоп с увеличением от 2 до 10 крат. Контроль производится только после операции оплавления припоя, иначе можно сместить компоненты или смазать пасту. Качество контроля зависит от квалификации оператора и степени его усталости. Такой контроль применяется в лабораторных условиях или на опытном производстве.

В сборочных линиях контроль осуществляют автоматические установки. Рассмотрим основные типы такого оборудования.

Автоматическая оптическая инспекция (АОИ). Автоматизированный контроль реализуется в ходе четырех основных этапов технологического процесса: нанесения припойной пасты, позиционирования компонентов, отверждения адгезива и проверки после пайки. Очень важна оптимизация процесса трафаретной печати припойной пасты, поскольку трафаретная печать служит источником дефектов пайки (перемычек и непропаев), а дефекты, связанные с пайкой, являются основной причиной отбраковки изделий на выходном контроле.

Настоятельно рекомендуется контроль собранных плат после отверждения адгезива, поскольку нанесение адгезива не всегда производится столь качественно, как предполагается. Вследствие недостаточного или чрезмерного количества нанесенного адгезива компоненты могут оказаться приподнятыми (под углом по отношению к поверхности платы) или установленными с разворотом (смещенными в плоскости платы). Это способствует появлению дефектов при пайке. Отсутствие конвейера для транспортировки коммутационных плат и перемещение плат вручную (после позиционирования компонентов) в камеру для отверждения адгезива могут привести к смещению компонентов.

АОИ позволяет контролировать:

· нанесение припойной пасты (недостаточное, избыточное, неточное, правильность позиционирования 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 являются формирование изображений объектов и анализ характерных особенностей их элементов. Двухмерное изображение объекта формируется оптическими матрицами на основе приборов с зарядовой связью (ПЗС). Для повышения контрастности изображения используют дополнительное освещение инспектируемой поверхности. В зависимости от сложности и стоимости установки применяется несколько ПЗС камер и источников освещения. Типичными параметрами установки являются: стандартное поле зрения (порядка 30х50 мм) и поле высокочеткого зрения (порядка 6х8 мм), скорость сканирования (до 18...36 см²/с) и количество одновременно обрабатываемых изображений (как правило, более 70) [16].

Используются монохромные (наиболее простые), двух- и трехцветовые (самые распространенные на сегодняшний день) системы. Фон теплового излучения от платы и компонентов может создавать помехи, влияющие на качество получаемого изображения, которые могут быть компенсированы программными средствами. Изображение оцифровывается в каждой точке в зависимости от амплитуды (от 0 до 255 по серой шкале или для одного из цветов – красного, зеленого, синего), формируется матрица, несущая информацию об объекте. Сформированная картинка может сравниваться с эталонным изображением платы на наличие дефектов или с информацией о сборке на основании данных CAD- и Gerber-файлов. Такие системы весьма быстродействующие, позволяют выполнять 100 %-ный контроль плат со скоростью до 150 000 компонентов в час, но зависят от степени освещенности объекта и чувствительны к смене материала платы и компонентов. Большинство АОИ весьма прилично обнаруживают дефекты расположения компонентов и с меньшим успехом различают дефекты нанесения припойной пасты на КП или качество пайки.

Оптические системы на основе лазеров могут формировать трехмерное изображение объектов. Они применяются также и для двухмерного анализа сборок, особенно в тех случаях, когда наблюдаемые элементы имеют малую высоту или небольшое различие по контрасту (отверстия, реперные точки). В отличие от оптических ПЗС, лазерные системы в составе автоматических сборщиков не формируют изображение объекта, а скорее анализируют отражение от компонента: если вместо отраженного луча присутствует тень, то компонент пропущен при установке и система выдает соответствующее сообщение.

Рентгеновские контрольные технологические установки (РКТУ). Для контроля качества внутренних слоев ПП и качества пайки некоторых типов компонентов оптические методы неприменимы. В этих целях используется 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 g-кванты. Проникающая способность излучения зависит от его энергии, которая определяется напряжением на аноде рентгеновской трубки. Для пластика ПП достаточно напряжения в 30 кВ, для исследования паяных контактов BGA компонента требуется напряжение 100 кВ. На аноде рентгеновских технологических установок стандартным является напряжение в 160 кВ [17]. Особой опасности для персонала такое излучение не представляет, поскольку оно не является жестким и полностью поглощается достаточно тонкими металлическими защитными стенками.

Рентгеновские лучи позволяют получать изображения с гораздо большим разрешением, чем в оптическом диапазоне, по крайней мере, от 0,5 до единиц микрметров. Существуют определенные сложности формирования увеличенного изображения объекта в рентгеновских лучах, поскольку из-за высокой проникающей способности в рентгеновском диапазоне не существует линз или других элементов, используемых в обычной оптике. Поэтому основная задача лежит на различных алгоритмах обработки изображения, конвертированного фотоприемником g-квантов в обычный электрический сигнал. Такие системы позволяют получать увеличение объектов в 200...1000 раз.

Достаточно хорошо с помощью РКТУ идентифицируются дефекты пайки, скрытые под корпусами микросхем: непропаи и короткие замыкания BGA, CSP, Flip Chip, J-выводов, безвыводных кристаллоносителей. Только с помощью рентгеновского контроля можно внутри паяных соединений обнаружить дефекты типа пустот. Весьма широкое применение рентгеновский контроль нашел в производстве МПП для обнаружения дефектов ширины внутренних проводящих дорожек, расслоения диэлектрика и других. Однако такие установки весьма дороги, для них характерна низкая скорость и не очень высокая эффективность контроля, повышенные эксплуатационные расходы.

Электрический контроль. Каждому производителю ПП приходится решать проблему контроля качества выпускаемой продукции. Данная проблема значима и для потребителя ПП, поэтому в технологической цепочке предусмотрен входной контроль компонентов и ПП.При производстве ПП применяются все основные методы тестирования: оптический, рентгеновский, электрический и рефлектометрический (для высокочастотных устройств).

При тестировании электрическим методом платы устанавливаются на адаптеры, построенные по принципу «поля контактов» [18]. Для обнаружения коротких замыканий и обрывов используется низкое напряжение (10 В). Высоким напряжением (500 В) тестируется изоляция на утечку и пробой. Наличие тестовых контактов в переходных отверстиях, расположенных на одной дорожке ПП, позволяет с высокой точностью локализовать обрывы. Тестирование даже самой сложной платы при помощи этого метода занимает несколько секунд. Самой ответственной частью тестеров, использующих принцип «поля контактов», является непосредственно тестовый контакт, так как именно от качества контактирования зависит достоверность конечной информации. Тестовые контакты состоят из подпружиненной контактирующей части и гильзы. Контактирующая часть необходима для качественного контакта с ПП. Для соединения с переходными отверстиями, выводами штырьковых компонентов, тестовыми площадками предусмотрены различные формы контактирующих соединений - коронка, игла, воронка и др. Гильзы предназначены для проводного соединения с измерительной частью системы и отличаются по способу соединения (накрутка, обжим, пайка) с проводом.

Слабое место в тестерах такого типа – адаптерная часть. Самая дешевая конструкция адаптера – та, в которой провода идут непосредственно от гильз контактов к измерительной части. В этом случае процесс тестирования слишком длителен и трудоемок. Проще, но и дороже конструкция, в которой база адаптерной части имеет разъем для подключения сменной части к измерительному модулю. Такая конструкция пользуется наибольшим спросом у производителей узлов РЭА, поскольку для современного производства характерна малая серийность при широкой номенклатуре выпускаемых изделий. Необходимое условие тестирования в серийном и в крупносерийном производствах – быстрый переход от одного изделия к другому. С учетом, что номенклатура изделий на больших предприятиях велика, стоимость всех адаптеров может оказаться выше стоимости самой системы.

Лучшее решение для производства с большой номенклатурой – применение оборудования, работающего по методу «летающих пробников». Суть его в том, что тестеры имеют несколько головок с приводами по осям X, Y, Z, на каждой из которых установлен пробник. Головки поочередно контактируют с платой; при этом происходит подача и измерение сигнала. При таком тестировании не требуется дополнительных адаптеров. 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 и перехода от одной платы к другой. Вместе с тем, метод «летающих пробников» не обеспечивает высокой производительности тестирования, хотя цена на это оборудование достаточно высока.

Притестировании многослойных ППвозникают определенные сложности. Обычные способы («поле контактов», «летающие пробники») позволяют найти цепи с имеющимися короткозамкнутыми слоями или проводниками, однако эти способы не определяют их точного местоположения. Если учесть, что стоимость некоторых МПП достаточно велика, то можно говорить о рентабельности оборудования, позволяющего локализовать и устранить такие дефекты. Для точного определения места межслоевого короткого замыкания применяется оборудование, работающее по методу «векторного поиска». Суть его заключается в том, что на область предполагаемого дефекта подается напряжение питания, после чего отслеживается зависимость изменения силы протекающего тока от положения пробника на ПП. В основе приборов с этой технологией применяются очень точные миллиомметр, микровольтметр и миллиамперметр.

При тестировании ПП, предназначенных для высокочастотной техники, или плат с контролируемым импедансом учитывается еще одна особенность такого оборудования. Дорожку в такой плате уже нельзя рассматривать как простой проводник. В таком проводнике наряду с обычным сопротивлением необходимо контролировать и волновое (импеданс), которое измеряется рефлектометрическим методом. Происходит наблюдение за формой волнового сопротивления линии передачи по всей ее длине, и при этом измеряется коэффициент отражения импульсов с малым временем нарастания. Проблема состоит в том, что стандартные рефлектометрические приборы представляют собой сложное измерительное оборудование и применяются, как правило, в лабораторных условиях.

Методы тестирования сборок.Методы тестирования радиоэлектронных изделий на стадии производства подразделяются на два – внутрисхемный и функциональный. Каждый из методов отличается способом контактирования с тестируемым изделием.

При внутрисхемном тестировании проверяются отдельные компоненты на плате или фрагменты схем с применением методов исключения влияния параллельных цепей. При проверке резистора, например, измеряется именно его сопротивление, а не сопротивление цепи, к которой он подключен. 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.

Влияние параллельных цепей исключается установкой блокирующих напряжений. Применение метода многопроводного измерения, точный подбор напряжения и частоты тестирования также препятствуют влиянию параллельных цепей. Данный метод тестирования позволяет обнаружить до 80% дефектов сборки, поэтому аналоговое внутрисхемное тестирование часто называют анализом производственных дефектов.

При цифровом внутрисхемном тестировании цифровые микросхемы проверяются на соответствие таблице истинности. Для исключения влияния параллельно установленных микросхем (например, при использовании шинной технологии) на вход тестируемой микросхемы подаются импульсы большого уровня с ограниченной длительностью.

Выбор оборудования и метод контактирования для внутрисхемного тестирования зависят от требований и возможностей пользователя.

Метод пробников универсален и недорог. Вместе с тем, он требует больших временных затрат и предполагает высокий уровень подготовки персонала. Обычно его применяют при единичном производстве и при ремонте.

Метод «поле контактов» предполагает изготовление тестового адаптера для каждого изделия. Контактирование происходит через переходные отверстия в плате, выводы штырьковых компонентов или специально подготовленные тестовые площадки. Такой метод обеспечивает высокую производительность. Используется в среднем и в крупносерийном производствах.

При функциональном тестировании проверяется работоспособность модуля и (при необходимости) его регулировка и настройка. 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.

При функциональном тестировании контакт с изделием осуществляется обычно через краевой разъем.

Технологии современного производства постоянно совершенствуются, и в условиях жесткой конкуренции все острее ощущается проблема качества. С помощью одного лишь технологического оборудования решить ее невозможно. Уже сейчас многие отечественные предприятия вводят в производственный процесс системы обеспечения качества, важной частью которых являются системы автоматического тестирования. Они позволяют не только определять производственные дефекты, но и вести статистический учет неисправностей для своевременной корректировки процесса производства, и, следовательно, для повышения качества электронного изделия.