Tehnologia asamblării circuitelor imprimate

La producerea circuitelor electronice pe cablaje imprimate se parcurg 3 etape mari: proiectarea, fabricarea plăcilor de cablaj imprimat şi asamblarea.

În sens larg al termenului, asamblarea include toate operaţiile de montare a pieselor pe plăci, fluxarea, lipirea, curăţarea post-lipire şi controalele de calitate interoperaţionale, interfazice şi final.

În sens restrâns al termenului, prin asamblarea circuitelor imprimate se înţelege numai totalitatea operaţiilor de montare a pieselor pe plăcile de cablaj, incluzând controalele de calitate interoperaţionale; de fapt este vorba de echiparea plăcilor sau montarea pieselor pe plăci.

Generalităţi Din punct de vedere al asamblării, piesele sunt de două categorii:

• Piese pentru montare în găuri (TH – Through Hole, THM – Through Hole, THT – Through Hole Technology), care pot fi:

► cu terminalele distanţate la un multiplu al unui pas standard (2,45mm = 1/10Inches, 1,27mm = 1/20Inches, 0,635mm = 1/40Inches

► cu terminale la distanţe nestandardizate, diferite de pasul standard; aşa sunt transformatoare, bobine, conectori, dispozitive de putere etc, fiecare cu modul propriu de conectare;

• piese pentru montare pe suprafaţă (SM – Surface Mounting, SMM, SMT) care, cam toate, au terminalele distanţate la multiplu al pasului standard.

Din alt punct de vedere, piesele pot fi:

• cu terminale axiale, care de regulă, se montează în găuri şi trebuie “formate” înainte de asamblare;

• cu terminale radiale, care adesea nu necesită formare înainte de montare (cel mult tăiere la lungimea necesară;

• fără terminale, cum sunt multe piese cu montare pe suprafaţă.

Tipuri de piese: a – cu montare în găuri (TH) şi terminale axiale; b – TH cu terminle radiale; c – cu montare pe suprafaţă (SM) cu terminale; d – SM fără terminale

Aceste clasificări suntimportante mai ales când se pune problema asamblării automate: majoritatea maşinilor pot executa asamblarea componentelor cu terminale standardizate, puţine sisteme, de tip robot industrial, pot executa asamblarea tuturor tipurilor de piese.

În cazul cablajelor cu găuri, asamblarea presupune, în ordine, următoarele operaţii:

1. formarea terminalelor (îndoire, distanţare, eventual tăiere) astfel încât să se poată introduce terminalele în găurile potrivite - operaţia se numeşte uneori preformare (a terminalelor); unele piese (precum circuitele integrate) au terminalele preformate

2. poziţionarea pieselor şi introducerea terminalelor în găuri - operaţia numită plantare;

3. fixarea mecanică a pieselor, pentru a împiedeca deplasarea în timpul manipulărilor şi al lipirii (de exemplu, la lipirea în undă staţionară, valul de aliaj exercită o presiune apreciabilă asupra terminalelor care pot fi „scoase” din găuri dacă nu sunt bine fixate); fixarea se face frecvent prin îndoirea terminalelor la preformare sau după plantare, uneori cu elemente mecanice.

În cazul asamblării circuitelor cu SMD-uri, piesele sunt cu terminale (sau elemente de contact) formate din fabricaţie – în general nemodificabile sau fără terminale şi asamblarea presupune numai:

1. poziţionarea pieselor;

2. fixarea mecanică, care se asigură adesea prin aderenţa pastei de lipit sau, mai laes în cazul pieselor mari, grle, prin lipire cu adeziv (o picătură sub corpul piesei).

Operaţiile din cadrul asamblării pot fi executate manual, semiautomat sau complet automat, în variate combinaţii, ca de exemplu:

• toate operaţiile executate manual;

• formare automată a terminalelor, poziţionare şi fixare manuală;

• formare automată a terminalelor, poziţionare semiautomată şi fixare automată.

Asamblarea, datorită imensei varietăţi a pieselor care trebuie montate şi a formelor plăcilor, este una dintre cele mai dificile etape din fabricarea circuitelor - când se face manual necesită mult timp şi solicită mult atenţia lucrătorilor, iar pentru automatizare sunt necesare utilaje scumpe.

Pentru uşurarea operaţiilor de asamblare pot şi trebuie să fie luate, încă din faza de proiectare o serie de măsuri - restricţii de proiectare

Restricţiile de proiectare a cablajelor imprimate impuse de asamblare

Restricţiile de proiectare a cablajelor imprimate sunt numeroase, impuse de cerinţe electrice, funcţionale, economice şi tehnologice (din care fac parte şi cele impuse de asamblare)

a) Toate pastilele de lipire – pad-urile (zona din jurul găurilor, suprafeţe mici pentru lipirea SMD-urilor) trebuie plasate cu centrele în nodurile unei reţele (rastru) de linii cu pas normalizat. Excepţiile admise sunt:

• când nu există altă soluţie, de exemplu în cazul pieselor cu terminale nestandardizate, care se montează manual;

• pentru treceri (vias).

Tendinţa de creştere a densităţii de montare a pieselor a dus la apariţia componentelor montate pe suprafaţă (SMD), pentru care paşii cei mai utilizaţi sunt 1,27mm (50mils) şi 0,635mm (25mil); tendinţa este spre pasul de 0,5mm (0,508mm = 20mil) – încă puţin folosit din cauza dificultăţilor de lipire şi de poziţionare corectă a pieselor.

b) Piesele trebuie să fie plasate în rânduri şi/sau coloane identificabile iar distanţele dintre terminale şi polarizările pieselor dintr-un rând sau coloană să fie aceleaşi.

b1. Piesele trebuie să fie poziţionate în rânduri paralele cu o axă

sau cel mult două, perpendiculare; nu se admit mai multe direcţii.

b2. Distanţele dintre terminalele pieselor de acelaşi fel să fie aceleaşi.

b3. Componentele polarizate (diode, tranzistoare, condensatoare polarizate, etc.) să fie orientate în aceeaşi direcţie; în special circuitele integrate trebuie să aibă aceeaşi orientare, cel puţin în „rând” sau în „coloană” - nu se admit orientări diferite. Piesele să fie pe cât posibil, „grupate” în rânduri şi/sau coloane, pe tipuri şi dimensiuni (distanţe între terminale).

c) Din punct de vedere al asamblării şi lipirii, forma optimă a plăcilor este dreptunghiulară cu dimensiunile de ordinul 100 ... 200mm. De regulă însă, formele şi dimensiunile plăcilor sunt impuse de cerinţe constructive, mecanice, de design etc. Totuşi, când este posibil, trebuie să se tindă spre forma dreptunghiulară şi dimensiuni nu prea mari. Dacă dimensiunile depăşesc 200 ... 300mm, este necesar ca zona centrală a plăcilor să fie liberă, pentru montarea unor bare sau tije pentru susţinere în timpul asamblării, adesea şi al lipirii (plăcile tind să se curbeze la cald şi rămân aşa).

d) Este necesar ca găurile şi piesele să se afle la cel puţin 4 –5 mm distanţă de margini, având în vedere spaţiul necesar dispozitivelor de prindere - fixare a plăcilor în timpul asamblării şi al lipirii.

e) Pentru ca asamblarea automată sau semiautomată să fie posibilă, plăcile de cablaj trebuie fixate în poziţii determinate pe masa maşinii de asamblare. Pentru aceasta, pe plăci se execută repere de poziţionare, care pot fi: găuri pentru ştifturile de poziţionare (procedeul cel mai folosit), degajări pe margini, repere optice sub formă de trasee de conductor imprimat – în cruce ( ×+⊗⊕ ,,,) sau colţare. Indiferent de procedeu, pe placă trebuie să fie cel puţin 2 repere, plasate la distanţa maximă posibilă.

f) Precizia poziţionării (centrelor) pastilelor de lipire şi a găurilor pe plăci depinde de tehnica de asamblare, în cazul asamblării manuale se admit abateri poziţionale mari, de ordinul - ±0,5mm la asamblarea semiautomată (cu vizualizarea zonei de lucru), abaterile trebuie să fie mai mici ±0,7 ... ±0,1mm iar pentru asamblare complet automată se admit numai ±0,07 ... ±0,06mm.

Diametrele găurilor (Dg) trebuie să fie cu 0,2 ... 0,8mm

mai mari decât ale terminalelor (Tt); optime sunt diferenţele de 0,4 ... 0,5mm, dar pentru asamblare complet automată sunt necesare diferenţe mai mari (0,7 ... 0,8mm).

În cazul găurilor nemetalizate pentru implantarea terminalelor, diametrele nominale şi toleranţele sunt conform tabelului:

Pentru găurile şi crestăturile de ghidaj nemetalizate, toleranţa la lungime şi lăţime faţă de dimensiunile nominale trebuie să fie de ±0,1mm.

Pentru găurile speciale, cu destinaţie neprecizabilă în standard, formele, dimensiunile, poziţiile şi toleranţele se stabilesc în documentul tehnic normativ de produs, în conformitate cu necesităţile de montare.

Pentru găurile metalizate, se recomandă ca raportul dintre diametrul găurii şi grosimea plăcii să nu fie mai mic de 1/3.

Diametrul maxim pentru găuri metalizate se determină cu relaţia:

Dmax= Dmin +2·Tmin + ΔH

în care:

Dmax este diametrul maxim al găurii metalizate;

Dmin este diametrul minim al găurii metalizate;

Tmin este grosimea minimă a metalizării;

ΔH este variaţia totală a diametrului găurii perforate

1. Toleranţele indică variaţia totală. Abaterile pot varia faţă de valoarea nominală cu alte valori, conform necesităţilor de proiectare. De exemplu, toleranţa de ± 0.13 poate fi formată din abateri de [+0.05 – 0.20] sau [+0.15 – 0.10].

2. În cazul în care raportul dintre diametrul găurii şi grosimea plăcii este mai mare decât 1/4, la aceste toleranţe se adaugă ± 0.050

3. În cazul în care raportul dintre diametrul găurii şi grosimea plăcii este mai mare de 1/3, la aceste toleranţe se adaugă ± 0.025.

4. Grosimea minimă recomandată a stratului de cupru a unei găuri (grosimea metalizării) este de cel puţin 0.025 mm.

Preformarea terminalelor

Din punct de vedere al asamblării, componentele sunt:

• cu terminale formate pentru asamblare la producător, care nu necesită preformare cum sunt: majoritatea circuitelor integrate, multe dispozitive active, unele componente pasive (condensatoare, bobine) şi practic toate dispozitivele cu montare pe suprafaţă;

• cu terminale care trebuie „formate” pentru a putea fi montate – de regulă plantate în găuri; aşa sunt practic toate piesele cu terminale axiale (rezistoarele, multe tipuri de condensatoare) şi multe tipuri de piese cu terminale radiale.

Formarea terminalelor se poate face în timpul asamblării manuale. S-a constatat însă că productivitatea este de cel puţin două ori mai mare dacă piesele sunt cu terminale preformate (într-o etapă anterioară montării); în plus şi calitatea formării este mult mai bună.

Preformarea presupune:

• îndoirea terminalelor la distanţa potrivită pentru montare - întotdeauna;

• tăierea la lungimea necesară – frecvent, la terminale axiale;

• îndoirea pentru asigurarea distanţei corp piesă - pastilă de lipire, necesară pentru evitarea supraîncălzirii la lipire – destul de frecvent;

• îndoirea pentru asigurarea unei fixări preliminare în găuri – rareori.

Modul de formare se adoptă în funcţie de mulţi factori: • modul de montare (orizontal, vertical, cu sau fără

distanţiere);

• abilitatea lucrătorilor sau a echipamentelor de asamblare automată - terminalele scurte şi formele complicate fac montarea (şi depanarea) mai dificilă;

• modul de manipulare a plăcilor în timpul şi după asamblare – deplasările ample, cu şocuri, impun o mai bună fixare;

• caracteristicile pieselor şi terminalelor, ca: abaterile dimensionale, rezistenţa la solicitările mecanice din timpul preformării, lungimea minimă admisă a terminalelor pentru evitarea supraîncălzirii;

• tehnica de preformare disponibilă – manuală, sau cu maşini şi performanţele acesteia;

• tehnica folosită pentru tăierea terminalelor la lungimea necesară – la preformare sau după montare.

Indiferent de tehnica folosită, formarea trebuie realizată astfel ca marcajul de identificare al pieselor să fie vizibil şi după asamblare.

Formarea terminalelor: a – piese cu terminale axiale montate orizontal; b – pieselor cu terminale axiale montate vertical; c – pieselor cu terminale radiale;

În general, montarea verticală a pieselor cu terminale axiale este evitată deoarece formarea terminalelor este mai dificilă, manipularea plăcilor echipate trebuie făcută cu mai multă atenţie iar rezistenţa mecanică este mai redusă (mai ales la vibraţii).

În cazul montării verticale şi la piesele cu terminale radiale este necesar să se asigure distanţă suficientă între piesă şi pastila de lipire, ceea ce se poate face prin preformarea potrivită a terminalelor sau şi mai bine cu distanţiere din plastic. Există destule componente ale căror terminale nu suportă îndoiri cu rază de curbură mică (din bronz, alamă, cupru tras la rece, cu secţiune dreptunghiulară), pentru care utilizarea distanţierelor este singura soluţie în producţia industrială.

Distanţiere pentru montarea pieselor pe cablaje

Preformarea terminalelor se poate face:

• manual, cu cleşti cu vârfuri profilate potrivit şi/sau şabloane;

• automat, pe maşini pentru preformare, de regulă programabile pentru o mare varietate de tipuri şi dimensiuni.

Preformarea manuală are productivitate mică, în schimb pot fi formate şi piese cu abateri dimensionale mari, cu terminale deformate, etc.

În cazul preformării automate, piesele sunt fixate cu adeziv, de la producător, pe o bandă de aprovizionare din plastic sau hârtie adezivă şi sunt debitate secvenţial capului de formare; productivitatea este foarte mare, dar trebuie satisfăcute o serie de cerinţe:

• toleranţele dimensionale admise pentru piese sunt mici (de regulă maxim ±10 %);

• abaterile poziţionale ale pieselor pe banda de aprovizionare a maşinii trebuie să fie mici (obişnuit ±20 ... ±10 %);

• toate piesele polarizate trebuie să fie, pe banda de aprovizionare, în aceeaşi poziţie;

• terminalele nu trebuie să fie prea deformate (datorită transportului, manipulării etc.);

• este necesară inspecţia vizuală pentru înlăturarea pieselor necorespunzătoare.

Componente cu terminale axiale pe bandă

a. Fixarea pieselor se face în mai multe moduri: în cazul pieselor cu dimensiuni şi mase nu prea mari:

• prin frecarea terminal - perete gaură, în cazul terminalelor preformate corespunzător, dacă manipularea plăcilor se face fără şocuri iar la lipire nu există pericol de scoatere a terminalelor din găuri;

• prin îndoirea terminalelor trecute prin găuri;

• prin lipire cu adeziv anume depus sau prin aderenţa pastei de lipit, în cazul SMD.

Poziţionarea şi fixarea pieselor

Fixarea terminalelor prin îndoire

În prezent, pentru piese montate în găuri, tocmai pentru asigurarea unei bune fixări, se preferă îndoirea terminalelor la 90º sau ≈45º şi forme simple ale terminalelor eventual cu distanţiere.

Uneori, îndoirea se face şi în cazul pieselor cu terminale în linie.

Pentru a reduce într-o măsură pericolul de scurtcircuit cu alte conductoare imprimate, se recomandă ca îndoirea să se facă în direcţia conductoarelor imprimate. Din acelaşi motiv dar şi pentru asigurarea unei mai bune pătrunderi a fluxului şi aliajului la lipire precum şi pentru uşurarea extragerii la depanare, se recomandă îndoirea la ≈45º.

O operaţie uneori dificilă constă în tăierea terminalelor componentelor montate în găuri la lungimea necesară, de regulă necritică; este totuşi necesar ca după lipire, terminalul să fie încă vizibil, ceea ce impune o lungime (faţă de suport) de 2 – 5mm (terminale cu diametrul de 0.5 – l.5mm).

Dificultatea apare când se face tăiere, dacă aceasta se face la preformare, adesea montarea devine dificilă iar dacă se lasă terminale lungi, tăierea după montare devine dificilă.

În prezent se practică trei procedee:

• preformarea cu tăierea la lungimea necesară - cel mai folosit procedeu, deoarece prin proiectarea corectă a cablajului şi prin programarea judicioasă a ordinii de plantare, dificultăţile sunt în mare măsură înlăturate;

• tăierea terminalelor după plantare odată cu îndoirea, procedeul este utilizabil la asamblarea automată;

• plantarea pieselor cu terminale lungi, realizarea unei prime lipiri, pentru rigidizarea terminalelor (nu contează scurtcircuitele), tăierea cu discuri în rotaţie cu viteză foarte mare şi realizarea unei a doua lipiri, care asigură topirea aliajului, îndepărtarea surplusului şi acoperirea zonei tăiate; tehnica a fost mult folosită prin anii ‚70, este utilizată şi în prezent dar mult mai rar, din cauza costurilor mari ale investiţiilor.

Plantarea, îndoirea şi tăierea automată a terminalelor

b. Montarea pieselor, adică poziţionarea şi introducerea terminalelor în găuri - sau numai poziţionarea, în cazul SMD-urilor, se face prin variate procedee.

b1. Montarea manuală simplă presupune:

• fixarea plăcilor pe un suport-ramă basculant, cu 2 poziţii; • prelevarea pieselor din cutii sau sertare, cu mâna, cu penseta sau cu unelte

speciale; • plasarea pieselor în poziţii potrivite şi introducerea terminalelor în găuri sau

presarea uşoară în cazul SMD-urilor; • rotirea (bascularea) plăcii cu 180o pentru îndoirea şi retezarea terminalelor

pieselor. • împărţirea pieselor în loturi, pe tipuri şi dimensiuni; un lucrător va

monta numai 1-3 tipuri de piese, pe baza unei schiţe de amplasare, preferabil la scara 2:1 şi în culori; • stabilirea unei ordini (succesiuni) de montare a pieselor pe placă şi a

loturilor, astfel încât identificarea amplasamentelor şi plasarea să se facă cu maximă uşurinţă;

• piesele trebuie furnizate tot în loturi, într-un mod care să le facă cât mai accesibile rără să fie necesară „citi-rea” codurilor de identificare.

De mare ajutor sunt inscripţionările de pe placă - profilul, denumirea, eventual polaritatea pieselor, asemenea inscripţionări, practicate curent în prezent, sunt foarte utile şi pentru testări şi depanări.

Suport pentru asamblare manuală

Dispozitiv pentru prinderea şi inserţia circuitelor integrate

b2. Montarea manuală cu proiecţia imaginii asigură o productivitate mai mare, reduce mult posibilităţile de eroare şi este recomandată mai ales în cazul plăcilor cu densitate mare de componente.

În principiu, pe o masă de lucru se fixează placa de cablaj, în poziţie determinată, folosind găurile sau degajările de poziţionare. Pe placă, se proiectează la scara 1:1, în succesiune, imaginile pieselor (profile) din fiecare lot de piese care trebuie montate. Proiecţia se face cu un cap optic în faţa căruia este plasat filmul cu imaginile pieselor, între sursa de lumină şi film este intercalat un ecran cu deschideri corespunzătoare proiecţiei fiecărui lot. După montarea pieselor dintr-un lot, filmul se deplasează, asigurând proiecţia următorului lot; comanda comutării se face manual sau cu pedală.

Principiul asamblării manuale cu proiecţia imaginii

Echipamentele de acest tip s-au perfecţionat mereu, printre îmbunătăţiri fiind:

• proiecţia în succesiune a imaginilor componentelor, nu a loturilor;

• utilizarea unui fascicul îngust, adesea laser pentru creşterea luminozităţii, deviat rapid şi repetat cu oglinzi comandate de calculator - imaginea formată apare staţionară.

Şi în această tehnică se recomandă folosirea sculelor ajutătoare şi este necesară organizarea corespunzătoare a operaţiilor.

b3. Montarea semiautomată se realizează pe mese de lucru ca cele descrise mai sus, cu sau fără proiecţia imaginilor pieselor, dar o serie de operaţii - cele mari consumatoare de timp, sunt automatizate. Astfel, maşina prevăzută cu unul sau mai multe capete de prindere, asigură prelevarea pieselor din recipiente potrivite, în succesiune programată şi aducerea lor deasupra plăcii. Manual se execută poziţionarea, de obicei prin deplasarea plăcii şi montarea pieselor (introducerea terminalelor în găuri sau uşoara apăsare în cazul SMD-urilor). îndoirea terminalelor pentru fixare se face, dacă este cazul, automat. Adesea echipamentele includ şi dispozitive de preformare.

Fiind degrevat de sarcinile alegerii şi manipulării pieselor, lucrătorul se poate concentra asupra sarcinii principale - montarea pieselor, pe care o face acţionând comenzile maşinii (pârghii, manete, ...) şi nu pensete sau alte scule care îi solicită atenţia şi necesită destul efort. Astfel creşte substanţial productivitatea, se reduc foarte mult erorile, montarea este uniformă. Procedeul este uşor adaptabil practic la orice configuraţie de circuit şi la o mare varietate de piese şi este deosebit de util în cazul circuitelor cu SMD-uri - piese mici, greu de manipulat dar destul de uşor de plasat la locul potrivit, mai ales dacă se foloseşte lupa.

b4. Montarea automată se face cu echipamente complexe, de tip robot industrial, cu productivitate foarte mare dar cu un preţ ridicat. In prezent există echipamente complet automate, dar cele mai răspândite sunt cu sistem de vizualizare a zonei de lucru (cu camere de luat vederi şi proiecţie mărită pe monitor TV) şi posibilitate de intervenţie a lucrătorului (de exemplu dacă sunt defecte pe placă, dacă piesa este vizibil deteriorată etc.). Un astfel de echipament execută întreaga asamblare: preformarea terminalelor, montarea şi fixarea.