Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/HardWare/Augat/D19790118Elc035.shtml

Планарная стежковая сварка—средство увеличения плотности и понижения стоимости монтажа

Лемейр (R.Lemaire),
Отделение Augat Interconnection Products фирмы Augat Inc. (Атлборо, шт.Массачусетс)

Кальвин (R.Calvin)
Отделение Augat Interconnection Products фирмы Augat Inc. (Атлборо, шт.Массачусетс)

R.Lemaire, R.Calvin. Planar stitch welding yields higher board density at lower cost, pp.133—136.

Описывается технология пленарной стежковой сварки, позволяющей заметно увеличить плотность проводного монтажа при сохранении малой высоты платы, уменьшить себестоимость изготовления схемных плат по сравнению с методом многослойного печатного монтажа. Показано также, что в серийном производстве платы, смонтированные методом стежковой сварки, оказываются дешевле многослойных печатных плат.

При монтаже компонентов на печатных платах зачастую бывает трудно добиться сочетания высокой плотности монтажа и малой высоты платы. Любой метод монтажа, позволяющий уменьшить себестоимость платы по сравнению с общепринятыми методами, имеет перспективу заменить эти методы в бесчисленных блоках электронного оборудования.

Именно таким передовым методом получения межсоединений является планарная стежковая сварка. Основу этого метода монтажа составляет приварка никелевых проводов к контактным площадкам из нержавеющей стали, размещенным по поверхности специальной печатной платы. Уже сейчас, особенно при небольших размерах партий, этот метод выдерживает конкуренцию с методами многослойного печатного монтажа.

Приварка проводов

При планарной стежковой сварке схемные соединения от точки к точке выполняются посредством приварки отрезков одножильного никелевого провода в тефлоновой изоляции к контактным площадкам из нержавеющей стали, размещенным по поверхности печатной платы. Контактные площадки размещаются с обеих сторон платы, образуя сеть контактов вокруг металлизированных сквозных отверстий, в которые вставляются выводы компонентов. Фотография готовой платы приведена на рис.1.

Межсоединения можно выполнять по кратчайшему пути между контактными точками или же в обход; это указывается на монтажной схеме, подготавливаемой разработчиком. Можно осуществлять соединения скрученными парами проводов. Кроме того, перемычками могут служить контактные площадки, расположенные со стороны компонентов; провода при этом прокладываются вокруг мест расположения компонентов.

Подобно методу монтажа Multiwire, планарная стежковая сварка допускает непрерывную подачу провода1{Электроника, 1978, №11, с.44}. В обоих методах изолированные провода можно укладывать один на другой, что обеспечивает высокую плотность межсоединений. При методе Multiwire малая высота смонтированной платы достигается путем закрепления проводов на адгезионной подложке и выполнения контактов на сквозных металлизированных отверстиях. При планарной стежковой сварке малая высота платы достигается путем использования контактных площадок из нержавеющей стали — в отличие от аналогичного метода простой стежковой сварки, при котором провода привариваются к штырькам из нержавеющей стали, вследствие чего увеличивается высота монтажа и повышается себестоимость производства, так как требуется дополнительная операция установки штырьков.

На снимке показаны обе стороны платы, смонтированной по методу пленарной стежковой сварки. Со стороны монтажа видны изолированные одножильные никелевы
Рис.1. На снимке показаны обе стороны платы, смонтированной по методу пленарной стежковой сварки. Со стороны монтажа видны изолированные одножильные никелевые провода, приваренные к контактным площадкам из нержавеющей стали. Площадки для приварки проводов и для компонентов соединены между собой металлизированными сквозными отверстиями.

Еще один способ обеспечить высокую плотность монтажа при малой высоте готовой платы— это применение хорошо известного метода многослойного печатного монтажа, при котором межсоединения выполняются на большом (до 30) числе промежуточных слоев изоляционного материала с нанесенными на нем печатными проводниками. Такие платы очень сложны и их применение в основном ограничивается военным и авиакосмическим оборудованием, а также компьютерами высшего класса. Правда, в последнее время стали использовать упрощенные методы многослойного печатного монтажа, которые постепенно начинают получать применение в электронном оборудовании коммерческого назначения1{Электроника, 1978, №11, с.87}.

Родоначальником метода планарной стежковой сварки является отделение АРАС фирмы Varian Associates, специализирующейся на военном и авиакосмическом оборудовании. В октябре 1977г. фирма АРАС стала отделением Planar фирмы Augat, и его специалисты доработали метод для использования в коммерческом оборудовании.

Одножильный никелевый провод в тефлоновой изоляции имеет диаметр 0,25 мм и обладает минимальной прочностью на разрыв 2150 кг/см2. Сочетание никелевого провода и нержавеющей стали, используемой для контактных площадок, дает в точках соединения требуемую для сварки коррозионную стойкость, а также необходимую разность удельных сопротивлений. Никель обеспечивает прочное соединение, устойчивое к ударам и вибрациям, в силу того что в точках соединения не происходит рекристаллизация и не возникает хрупкость.

Технология сварки

В процессе сварки (рис.2) изолированный провод автоматически подается сквозь полый верхний электрод и прижимается к контактной площадке. Благодаря давлению со стороны электрода тефлоновая изоляция удаляется и образуется контакт между металлом провода и площадкой, к которой он будет приварен. Эта контактная площадка через сквозное металлизированное отверстие соединена с аналогичной площадкой на другой стороне платы, под которой находится нижний электрод. Чтобы увеличить площадь сварки, провод слегка сплющивается. После этого от источника питания с разрядом емкости подается большой импульс тока длительностью 2,5 мс, производящий сварку.

При стежковой сварке изолированный провод подается сквозь верхний электрод и прижимается к контактной площадке, причем изоляция удаляется. Затем между
Рис.2. При стежковой сварке изолированный провод подается сквозь верхний электрод и прижимается к контактной площадке, причем изоляция удаляется. Затем между обоими электродами пропускается импульс тока, в результате чего никелевый провод приваривается к контактной площадке из нержавеющей стали.

Как правило, прочность сварного соединения составляет 85% предела прочности на разрыв, и пределы ее изменения составляют всего ±5%. Выделение тепла в процессе сварки невелико и не оказывает влияния на плакировку платы или нанесенный на нее слой припоя. Под стальными площадками находится медное покрытие платы, которое, действуя как теплоотвод, сводит к минимуму влияние нагрева и изменения сопротивления, вызываемые сваркой.

Процесс сварки может быть ручным или полуавтоматическим. При ручной сварке оператор перемещает плату, руководствуясь монтажной таблицей. При полуавтоматической сварке (рис.3) перемещение платы по координатным осям X и Y производится согласно командам, поступающим с управляющей перфоленты. Перемещение платы в следующее положение производится лишь после того, как оператор нажмет ножную педаль, включающую сварочный ток. Разница в производительности значительная: свыше 100 соединений в час на установке для ручной сварки и свыше 500 на полуавтоматической установке.

В полуавтоматической установке для планарной стежковой сварки «Система 78» фирмы Augat, требуемая контактная площадка на монтируемой плате автоматичес
Рис.3. В полуавтоматической установке для планарной стежковой сварки «Система 78» фирмы Augat, требуемая контактная площадка на монтируемой плате автоматически устанавливается под неподвижную сварочную головку. Затем оператор приводит в действие головку и обрезает провод, а установка перемещает плату на следующую позицию.

Конструкция платы

Для планарной стежковой сварки необходима печатная плата специальной конструкции, основу которой составляет огнестойкий стекло-эпоксид FR-4. На эту основу с обеих сторон наложены листы нержавеющей стали толщиной 0,076 мм, у каждого из которых с внутренней стороны гальваническим способом нанесен тонкий слой никеля и слой меди толщиной 0,038— 0,051 мм.

После плакировки нержавеющей сталью в плате просверливаются отверстия, соответствующие требуемому рисунку межсоединений. Далее поверх нержавеющей стали гальваническим способом наносится слой никеля, а стеклоэпоксид внутри отверстий химически очувствляется, чтобы на внутренние поверхности отверстий, как и на поверхность платы, можно было нанести слой меди минимальной толщиной 0,038 мм.

Далее следуют основные этапы создания рисунка печатных проводников — покрытие фоторезистом, экспонирование и проявление. После этого даются два цикла травления: при первом из них удаляются . все лишние . металлические слои, а при втором производится выборочное удаление меди с верхней стороны контактных площадок, к которым в дальнейшем будут привариваться провода.

Во время травления металлизированные отверстия и соединительные клеммы защищают специальной маской. После снятия этой маски стенки отверстий, а также клеммы покрывают слоем припоя. Процесс изготовления печатной платы заканчивается.

Разнообразные конструкции схемных плат

Расположение контактных площадок и металлизированных отверстий на плате, монтируемой методом планарной стежковой сварки и предназначаемой для монтажа микросхем или дискретных компонентов в корпусах DIP, может задаваться применительно к данному случаю, а может быть и стандартным. Имеющиеся в наличии стандартные платы содержат группы контактных площадок, соответствующие расположению выводов у корпусов DIP с 14, 16 и 24 выводами, а также электрические цепи, встречающиеся в любой плате. Так, прямо на печатной плате могут протравливаться плоскости питания и земли, обеспечивающие непосредственное соединение этих цепей с компонентами, но можно подводить эти цепи к контактным площадкам и по отдельности, в каждом месте монтажа микросхемы.

Обычно контактные площадки формируют в стороне от металлизированных отверстий. Но если требуется особо высокая плотность монтажа, контактные площадки можно объединить с отверстиями и монтировать компоненты прямо над ними.

Машинное проектирование плат позволяет изготавливать платы любой сложности и с любым специальным рисунком монтажа, какой только может потребоваться разработчику. По внутренним слоям меди можно подвести через металлизированные отверстия прямо к контактным площадкам дополнительные плоскости питания и земли. Можно также подключать к плоскостям компонентов специально разработанные алюминиевые теплоотводы большой площади.

Могут выполняться соединения с входными и выходными разъемами самой разнообразной конструкции — стандартными торцевыми разъемами с позолоченными никелевыми контактами, двойными угловыми разъемами и разъемами под плоский кабель. Допускаются также самые разные способы монтажа компонентов — ручной монтаж, пайка волной припоя плоских панелей под корпуса DIP и распайка выводов на монтажных станках.

Главным преимуществом схемных плат, смонтированных методом планарной стежковой сварки, является высокая плотность монтажа: в небольшом объеме можно разместить, много межсоединений, укладывая провода слоями. Может быть достигнута примерно такая же плотность монтажа, как у 15-слойной печатной платы.

Другие достоинства

Несмотря на такую высокую плотность монтажа, толщина готовой платы оказывается небольшой — платы можно ставить в стандартную раму с шагом между разъемами 12,7 мм. Таким образом, платы, смонтированные методом планарной стежковой сварки, легко совмещаются с платами, смонтированными методом накрутки проводов, что позволяет расширить возможности многих систем, заменяя в них некоторые платы на платы, смонтированные методом планарной стежковой сварки. Поскольку в такой системе все провода проходят рядом с плоскостью земли, малая высота платы позволяет также свести к минимуму все задержки логических сигналов вследствие вариации импедансов, особенно в системах, работающих с высоким быстродействием, характерным для схем ЭСЛ.

Еще одно достоинство нового метода монтажа — гибкость, делающая его особенно удобным при макетировании. Поскольку не составляет особого труда поменять места приварки у любого числа проводов, нет надобности в процессе проектирования и отладки новой системы или расширения возможностей существующей системы создавать несколько макетных вариантов схемных плат.

Планарная стежковая сварка хорошо оправдывает себя также при серийном производстве. Обеспечивается легкий доступ к любой точке соединения, так что, если требуется какая-либо переделка схемы, заменяемые провода можно просто обрезать и приварить к контактным площадкам новые. К каждой контактной площадке можно приварить до четырех проводов. Можно обойтись даже и без сварочной установки: возле точек соединения у металлизированных отверстий остается достаточно места для припайки проводов вручную.

В настоящее время самый распространенный способ обеспечения высокой плотности монтажа при малой высоте готовых плат — это многослойный печатный монтаж. Однако применение многослойных печатных плат экономически оправдано главным образом при крупносерийном производстве, когда всякое внесение изменений в схемы давно закончено.

Платы, смонтированные методом планарной стежковой сварки, позволяют вносить любые изменения в процессе серийного производства. Кроме того, издержки освоения и время окупаемости разработки для них на 30—50% меньше, чем для сложных многослойных плат.

Снижение себестоимости

Недавно было проведено сравнительное исследование факторов себестоимости для плат, смонтированных методом планарной стежковой сварки, и для многослойных печатных плат. Было установлено, что начальная себестоимость для стандартной платы, смонтированной методом планарной стежковой сварки, примерно вдвое меньше, чем для многослойной платы, а для заказной платы составляет около 65%. Сфера исследования была довольно широкой и охватывала сравнение периодических и непериодических издержек для типичной небольшой электронной системы, подвергаемой или неподвергаемой переделкам. Расчеты, результаты которых приводятся на рис.4 и в таблице, основывались на предположении, что большая часть работ, связанных с непериодическими издержками, а также монтаж плат производятся самой фирмой-изготовителем. Если бы фирма Augat не взяла на себя подготовку фотошаблонов, оснастку рабочих мест и программирование полуавтоматов, непериодические издержки для метода планарной стежковой сварки были бы в два с лишним раза меньше, чем указано в таблице.

Для системы, содержащей 10 схемных плат, неподвергаемых переделкам, планарная стежковая сварка обеспечивает экономию непериодических издержек 9900 долл. Однако при этом методе выше периодические издержки, так что для данного случая точка пересечения прямых, отражающих зависимость себестоимости от числа изготавливаемых систем, соответствует 14 системам, т.е. 140 платам (см. рис.4,а).

Внесение изменений.

Если в каждую плату пробной системы должна быть внесена всего одна переделка, точка пересечения прямых окажется гораздо выше. Для первых 10 плат непериодические расходы такие же, как ранее, но когда в платы вносятся переделки, метод планарной стежковой сварки дает дополнительную экономию 13 тыс. долл. на непериодических издержках. Кроме того, изготовление первой системы с внесенными переделками дает при этом методе экономию еще 1840 долл., и в результате точка пересечения соответствует 36 системам, т.е. 360 платам (см. рис.4,б).


Рис.4. Платы, смонтированные методом планарной стежковой сварки, при малом размере партий обходятся дешевле многослойных плат (а). Любая переделка платы приводит к резкому смещению точки пересечения прямых в сторону увеличения числа плат (б).

Предприятия, уже пользующиеся методом планарной стежковой сварки, сообщают о прекрасных результатах, достигаемых в случаях, когда монтаж должен занимать мало места или когда требуется особо прочная конструкция, устойчивая к ударам и вибрациям. Например, отделение Aerospace and Electronic Systems фирмы Westinghouse Electric Corp. использует этот метод для монтажа плат, входящих в состав системы управления ракетой при запуске искусственных спутников и автоматической объединенной системы материально-технического снабжения. Фирма Hughes Aircraft Co. применяет его при монтаже плат для электронного блока экспериментальной модели танка, действующего в условиях особо сильных ударов и вибраций. Фирма Cubic Corp. применила несколько плат, смонтированных по методу планарной стежковой сварки, в электронном оборудовании радиоуправляемого самолета.

Коммерческое оборудование

Помимо этого авиакосмического и военного оборудования, новый метод находит многочисленные применения также в системах коммерческого назначения, включая системы воспроизведения изображений, изготавливаемые фирмой Itec Corp., и очень плотные по монтажу платы для самолетной измерительной аппаратуры, выпускаемой отделением Avionics фирмы International Telephone and Telegraph Corp. Еще одна авиакосмическая фирма использует метод планарной стежковой сварки для монтажа кросси-ровочной панели.

Чтобы ускорить внедрение этого нового метода монтажа, проведены некоторые исследования практического характера, упрощающие разработку оборудования. В частности, исследован вопрос о применении сравнительно недорогого ручного инструмента, позволяющего осуществлять переделки плат, смонтированных методом планарной стежковой сварки, на местах эксплуатации, где нет сварочных установок. По своим рабочим характеристикам такой инструмент, по-видимому, можно сравнить с ручным пистолетом фирмы Gardner-Denver, используемым сейчас для плат, смонтированных методом накрутки проводов.

Типичные значения непериодических издержек

Многослойные печатные платы

Новая плата

Вторая плата той же конфигурации

Переделка

Рабочие часы

Стоимость материалов, долл.

Рабочие часы

Стоимость материалов, долл.

Рабочие часы

Стоимость материалов, долл.

Компоновка и фотооригинал

90

24,00

60

24,00

45

24,00

Деталировка платы и подготовка управляющей перфоленты для сверлильного станка

6

2,00

6

2,00

6

2,00

Спецификация сборочных операций и деталей

24

1,00

8

1,00

2

1,00

Монтажная схема

40

1,00

40

1,00

4

 

Механическая обработка

7

 

 

 

 

 

Макетирование

6

 

 

 

 

 

Сверка документации

32

 

23

 

11

 

Промежуточный итог

205

28,00

137

28,00

68

27,00

Стоимость рабочей силы при зарплате 22,50 долл./ч

4610

28,00

 

3080

 

1530

27,00

Всего

4638

3108

1557

Платы, смонтированные методом планарной стежковой сварки

Заказная плата

Стандартная плата

Переделка

Рабочие часы

Стоимость материалов,
долл.

Рабочие часы

Стоимость материалов, долл.

Рабочие часы

Стоимость материалов, долл.

Компоновка и фотооригинал

38

8,00

 

 

 

 

Деталировка платы и подготовка управляющей перфоленты для сверлильного станка (при машинном проектировании)

6

2,00

 

 

 

 

Детализация покрытий

4

1,00

 

 

 

 

Эталонный образец для монтажа

24

1,00

 

 

 

 

Сборочный чертеж и спецификация деталей

6

1,00

6

1,00

2

 

Монтажная схема

40

1,00

40

1,00

4

 

Таблица проводов

24

 

24

 

 

 

Обслуживание перфоратора и компьютера

5

30,00

5

30,00

1

15,00

Механическая обработка

40

20,00

 

 

 

 

Макетирование

5

 

5

 

 

 

Сверка документации

24

 

9

 

 

 

Промежуточный итог

216

64,00

89

32,00

10

15,00

Стоимость рабочей силы при зарплате 22,50 долл./ч

4860

64,00

2010

32,00

225

15,00

Всего

4924

2042

240

Еще одно усовершенствование метода: в ближайшие несколько месяцев в продаже, по-видимому, появится экономичная серия односторонних плат, смонтированных еще одним методом стежковой сварки, обещающим значительно сократить производственные издержки. Это так называемый метод сварки с параллельными зазорами (parallel-gap welding). Внедрение этого метода предполагает использование специального автоматического сварочного станка с микропроцессорным управлением и ручной сварочной установкой.

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 52, No.02 (554), 1979г - пер. с англ. М.: Мир, 1979, стр.48

Electronics Vol.52 No.2 January 18, 1979 A McGraw-Hill Publication

R.Lemaire, R.Calvin. Planar stitch welding yields higher board density at lower cost, pp.133—136.

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     Конструирование и производство





Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:44 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/HardWare/Augat/D19790118Elc035.shtml