XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Современная электронная аппаратура содержит большое количество электронных компонентов. Появление больших и сверхбольших интегральных схем с числом выводом более 100 и шагом между ними менее 0,6 мм не могут напаиваться традиционными методами пайки в отверстия. Растущие требования к микроминиатюризации и технологичности электронных блоков, а также необходимость автоматизации процесса сборки в условиях расширения спроса на электронную аппаратуру привело к появлению технологии поверхностного монтажа, т.е. SMD-технологии (от surface mount device – прибор, монтируемый на поверхность). Основным отличием SMD-технологии от «традиционной» технологии монтажа в отверстия является то, что компоненты монтируются на поверхность печатной платы. Компоненты для поверхностного монтажа имеют значительно меньшие размеры по сравнению с элементной базой для монтажа в отверстия.

Как известно, бόльшую часть массы и габаритов микросхемы составляет отнюдь не кристалл, а корпус и выводы. Размеры корпуса продиктованы в ос­новном расположением выводов (могут существовать и другие факторы, например, требования по теплоотводу, но они значительно реже являются определяющими). Поверхностный монтаж позволяет применять компоненты с существенно меньшим шагом выводов благодаря отсутствию отверстий в печатной плате. Поперечные сечения выводов могут быть также меньше, поскольку выводы формуются на предприятии-изготовителе компонентов и не подвергаются существенным механическим воздействиям от разупаковки до установки на плату. Кроме того, эта технология позволяет применять корпуса компонентов с контактными поверхностями, заменяющими выводы узлов. Технология поверхностного монтажа позволяет устанавливать компоненты с обеих сторон печатной платы, что позволяет уменьшить площадь платы и, как следствие, габариты печатного узла. За счет уменьшения длины выводов и более плотной компоновки значительно улучшается качество передачи слабых и высокочастотных сигналов, что приводит к улучшению точностных характеристик [1].

SMD- технология позволяет повысить технологичность изготовления радиоэлектронной аппаратуры (РЭА). Именно это преимущество является, пожалуй, основным, позволившим поверхностному монтажу получить широкое распространение. Отсутствие необходимости подготовки выводов перед монтажом и установки выводов в отверстия, фиксация компонентов паяльной пастой или клеем, самовыравнивание компонентов при пайке – все это позволяет применять автоматическое технологическое оборудование с производительностью, недо­стижимой при соответствующей стоимости и сложности технических решений при монтаже в отверстия. Применение технологии оплавления паяльной пасты значительно снижает трудоемкость операции пайки по сравнению с ручной или селективной пайкой, и позволяет экономить материалы по сравнению с пайкой волной. Уменьшение площади печатных плат, меньшее количество материалов, используемых в компонентах, автоматизированная сборка – все это при прочих равных условиях позволяет существенно снизить себестоимость изделия при се­рийном производстве.

Однако, появление миниатюрных компонентов для поверхностного монтажа (чип-компонентов) значительно усложнило контроль их метрологических характеристик. Наибольшую трудность представляет исследование зависимо­стей параметров чип-компонентов от температуры. Использовать климатические камеры для этих целей представляется нецелесообразным из-за их большого рабочего объема и сложности подключения выходных приборов. За рубежом контроль параметров чип-компонентов осуществляется с помощью специальных устройств – зондовых станций, в состав которых входит специальный предметный столик с иглами-зондами, с помощью которых осуществляется подключение к исследуемому чип-компоненту, микроскоп или видеокамера, с помощью которых осуществляется контроль за подключением. Для надежной фиксации исследуемого компонента используется вакуумный прижим. Однако эти станции стоят очень дорого и, как правило, покупаются для контроля при массовом производстве радиоэлектронных устройств. Отечественной промышленностью подобных устройств не выпускается.

Целью работы является анализ методов контроля параметров чип-компонентов.

1 Анализ объекта исследования

На заре развития электроники радиоэлементы были массивными и крупногабаритными, монтаж использовали навесной - на пистонах и монтажных планках, соединения выполнялись отдельными проводами. Пока выпуском радиоприемников занимались мастерские и мелкие заводы, где один мастер выполнял монтаж от начала до конца, эта технология еще годилась. Расширение масштабов выпуска и усложнение конструкции изделий потребовали перехода к конвейерной сборке и новой технологии монтажа. Так в первой половине 50-х годов пошлого века в жизнь вошли печатные платы. На каждом рабочем месте монтировалась одна деталь или блок, смонтированная плата поступала на регулировку и окончательную сборку. Для дальнейшего увеличения производительности оставалось исключить ручные операции при монтаже. Сначала был автоматизирован процесс пайки выводов, а затем и процесс установки деталей на плату.

Автоматизированный монтаж радиодеталей применялся еще в 70-е годы, но распространение получил только к началу 80-х годов, поскольку требовалось создать гибкие управляющие системы, точные манипуляторы и решить комплекс проблем, связанных с самими радиодеталями. Традиционный способ установки выводов деталей в отверстия печатных плат потребовал жесткого соблюдения допусков на координаты отверстий и качественной формовки выводов. Конструкция печатных плат оставалась такой же, как и в момент их появления, изменились только материалы. На смену хрупкому гетинаксу пришел стеклотекстолит, на печатных проводниках появилось защитное покрытие (маска), необходимое при пайке выводов «бегущей волной» припоя [1].

Дальнейшее уменьшение размеров деталей потребовало полностью изменить взгляд на конструкцию печатных плат. Отказ от монтажных отверстий позволил исключить процесс формовки выводов, однако потребовалось разработать способ фиксации деталей до пайки, либо совместить процесс установки с пайкой. Детали традиционной конфигурации уже с трудом вписывались в рамки но­вой технологии и на арену вышли компоненты, специально предназначенные для поверхностного монтажа SMD (Surface Mounting Details). Конечно, полностью заменить детали в традиционных корпусах они не могут - резисторы большой мощности, конденсаторы большой емкости, индуктивности, трансформаторы и силовые транзисторы используются обычные, но доля крупногабаритных деталей в современных устройствах невелика.

Эксплуатационные характеристики радиоэлектронной аппаратуры определяются свойствами составляющих ее компонентов. Различают активные и пассивные компоненты. К активным компонентам относят те компоненты, которые усиливают, генерируют или преобразуют электрические сигналы. К ним относятся как одиночные элементы – диоды и транзисторы, так и интегральные микросхемы – операционные усилители, аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, микропроцессоры, электронные коммутаторы и т.п. В состав интегральных микросхем входят пассивные компоненты, выращенные методами полупроводниковой технологии, но полупроводниковые пассивные компоненты не нашли широкого применения в качестве самостоятельных изделий. Пассивные электронные компоненты предназначены для перераспределения электрической энергии в радиоэлектронной аппаратуре. К ним относятся кон­денсаторы, резисторы, индуктивности, используемые в качестве функционально законченных изделий.

Несмотря на бурное развитие активных радиокомпонентов, дискретные пассивные компоненты не утратили своего значения. Это обусловлено следую­щими причинами:

– интегральная электроника по ряду позиций не в состоянии достигнуть свойств дискретных пассивных компонентов. Это относится к получению рези­сторов и конденсаторов с большими номиналами. Это приводит к тому, что на каждую интегральную микросхему в законченном радиоэлектронном устройстве приходится от двух до пяти дискретных пассивных компонентов;

– дискретные пассивные компоненты обладают большей точностью, лучшими характеристиками по температурной и временной стабильности по сравнению с элементами интегральных микросхем;

– появление в последние годы миниатюрных безвыводных чип-компонентов, позволяющих автоматизировать процессы сборки аппаратуры за счет использо­вания одинаковых технологических приемов как для пайки интегральных микросхем, так и пассивных компонентов;

– более низкая стоимость по сравнению с элементами интегральной электро­ники.

Для массового производства изделий электронной техники используются пластины, вырезанные из искусственно выращенного кремния цилиндрической формы (рисунок 2, а).

а)	б)

Рисунок 1 – Внешний вид чип-компонентов:

а) чип-конденсаторы; б) чип-резисторы

Пластины имеют диаметр 150 мм или 200 мм. Поэтому выпускаемые зондовые станции предназначены для контроля параметров чип, расположенных на кремниевой пластине [2]. Чип-компоненты, разрабатываемые ОАО «НИИЭМП», изготавливаются на ситалловых подложках, имеющих прямоугольную форму с размерами 40х60мм (см. рисунок 5,б).

а)	б)

Рисунок 2 – Кремниевые (а) и ситалловые (б) подложки для изготовления чип-компонентов

Ситалловые подложки отличаются от кремниевых не только размерами, но и физико-механическими свойствами, поэтому имеющиеся на рынке зондовые станции надо переделывать в части контактно-зажимных устройств, вакуумного прижима, мест расположения подложек.

2 Описание требований к зондовой станции

Зондовая станция – устройство, использующиеся для проверки параметров чип-компонента на любой стадии его жизненного цикла: элементы, расположенные на подложке или пластине, функционально законченные элементы, элементы в собранном устройстве. Проведенный анализ методов и средств измерения параметров чип-компонентов, а также сведения о зондовых станциях, существующих на отечественном рынке электроники, показали, что зондовая станция должна удовлетворять следующим требованиям:

– зондовая станция должна обеспечивать возможность измерения безвыводных SMD-компонентов, имеющих малый вес, малые габаритные размеры;

– зондовая станция должна обеспечивать как отрицательную, так и положитель­ную температуру предметного столика;

– зондовая станция должна обеспечивать надежный контакт с измеряемыми SMD-компонентами.

Зондовые станции должны работать как в ручном, так и автоматическом режимах. В ручном режиме оператор устанавливает зонды на контактные пло­щадки исследуемого чипа. Ручной режим используется в основном для контроля параметров одиночных чипов. Контроль чипов на пластине осуществляется в автоматическом режиме, при котором манипулятор зондовой станции перемещает набор зондов в позицию над одним из чипов и опускает на него зонды. Когда один чип протестирован, манипулятор перемещает пластину на следующий чип и дает сигнал на проведение следующего теста.

Рассмотрим принцип работы зондовой станции на примере зондовой станции SPS 2600 фирмы MicroXart (США) [3]. Внешний вид рассматриваемой станции приведен на рисунке 3. В состав зондовой станции входят микроскоп или ви­деокамера для визуализации исследуемого компонента и вывода изображения на персональный компьютер, предметный столик, передвигающийся по трем координатам, вакуумный насос для создания определенного усилия прижима.

Рисунок 3 – Внешний вид зондовой станции типа SPS 2600

Характеристики станции SPS 2600:

– тестирование на пластинах до 100 мм;

– 4 манипулятора зондов (2 слева и 2 справа) в стандартной конфигурации;

– стереомикроскоп с длинным фокусным расстоянием и высокомощным LED осветителем;

– моторизованный столик для перемещения по осям XY;

– диапазон перемещения по XY до 127 х 127 мм;

– разрешение перемещения столика по XY - ±3,2 мкм;

– повторяемость - <6 мкм (<2 мкм - SPS-2600-PLUS)

– точность - <25 мкм (<10 мкм - SPS-2600-PLUS)

– перемещение по Z моторизовано;

– перемещение по Z - 12,7 мм;

– разрешение перемещения по Z - ±0,8 мкм

– повторяемость по Z - <1,5 мкм (<1 мкм - SPS-2600-PLUS)

– точность наклона столика (вертикальная жесткость): ≤ 0,0015 мкм (при 10 кг загрузки)

– перемещение по Тета: от 0° - 360°, ±6°

– разрешение по Тета- 0,1° (0,05° - SPS-2600-PLUS)

– управление с ПК и джойстиком.

Подключение к испытуемому чип-компоненту осуществляется с помощью специальных вольфрамовых игл. Подключение осуществляется как по двух- так и по четырехпроводной схеме. Внешний вид контактного устройства приведен на рисунке 4. Для надежной фиксации испытуемого чип-компонента используется вакуумной прижим, с этой целью на предметном столике сделаны канавки, через которые идет отсасывание воздуха.

Рисунок 4 – Внешний вид предметного столика и контактных игл.

Для измерения параметров чип-компонентов используются стандартные приборы. С этой целью в конструкции зондовой станции контактные иглы со­единены со стандартными приборными разъемами. Внешний вид используемых разъемов в зондовой станции типа SPS 2600 приведен на рисунке 5.

Рисунок 5 – Внешний вид используемых разъемов для подключения стандартных приборов

В разрабатываемом комплексе используется стандартный прибор для измерения R, L, C – параметров. Для разрабатываемого комплекса выбрали измеритель R,L,C- параметров АКИП-6105.

Измеритель RLC параметров АКИП-6105 (рисунок 6). Измерители предназначен для проведения измерений сопротивления, ёмкости, индуктивности, тангенса угла потерь, добротности, комплексного сопротивления и фазового сдвига. Базовая погрешность измерений составляет ±0,05%. Измеритель обладает функциями программирования режимов, ручного или автоматического выбора диапазона измерений. Все эти достоинства позволяют выполнять измерения широкой номенклатуры пассивных компонентов электрических схем

Рисунок 6 – Внешний вид АКИП - 6103

Режимы работы: 6-ти разрядный «Измеритель» на выбранных частотах тест-сигнала, табличные измерения параметра по 10 точкам «Таблица», а также экранное отображение графиков качания основного и вспомогательного параметра «График».

В основу работы прибора положена технология прямого цифрового синтеза DDS (Direct Digital synthesis) и цифровой обработки сигнала DSP. Это принципиально отличает от измерителей с мостовой схемой на переменном токе, в которых производится сравнение неизвестного комплексного сопротивления с образцовой мерой. На практике в качестве меры применяется конденсатор, поскольку процесс изготовления высокодобротных образцовых катушек связан с определёнными трудностями.

Зондовая станция используется совместно с персональным компьютером (рисунок 7).

Рисунок 7 – Пример использования зондовой станции совместно с персональным компьютером

С помощью цифровой камеры изображение исследуемой платы с чип-элементами выводится на монитор компьютера. На экране монитора отображаются параметры исследуемого чип-компонента, расположение компонента на плате, показана визуализация позиционирования и т.д.

Список используемых источников

Быков В. А., Лазарев М. И. Сканирующая зондовая микроскопия для науки и промышленности / В. А. Быков, М. И. Лазарев // Электроника: наука, технология, бизнес, - 2017, - №5, - с. 7 - 14.

Минченко, В.А. Измерение переходной характеристики и задержки широкополосных контактирующих устройств для контроля параметров интегральных микросхем на пластине / В.А. Минченко. – Электронная техника. – Сер.8. – 2012. – Вып. 5 (122). – С. 83–86.

Полуавтоматическая зондовая станция SPS-2600 (SPS-2600-PLUS) [Электронный ресурс] URL: http://eav.su/catalog/mikroehlektronika-oborudovanie-pribory-ustanovka/poluavtomaticheskaya-zondovaya-stanciya-sps-2600-sps-2600-plus/

Код для цитирования: Скопировать