Учебно-методическое пособие Часть 3 Технология электромонтажных работ Одобрено методической комиссией электротехнического факультета Гомель 2010 (стр. 20 из 26)
4.5 Монтаж электронной аппаратуры
Методы монтажа электронной аппаратуры полезно рассмотреть в их историческом развитии. Первыми генераторными и усилительными элементами были электронные лампы. Их устанавливали в панели, закреплённые на металлических шасси. Электролитические конденсаторы сглаживающих фильтров питающего напряжения крепили непосредственно к шасси, вставляя в отверстия и прикручивая гайками. К этим же шасси прикрепляли изоляционные колодки с лепестками. Резисторы и конденсаторы висели, припаянные выводами к этим лепесткам, а также к лепесткам ламповых панелей и электролитических конденсаторов.
Такой способ получил название навесного монтажа. В массовой электронике навесной монтаж применялся до 50–60-х годов прошлого века, впоследствии уступив место печатным платам; за навесным монтажом осталась ниша – подключение трансформаторов и аналогичных крупногабаритных изделий.
Навесной монтаж остаётся наиболее уместным способом монтажа ламповой техники как из-за конструкции ламповых панелей и крупногабаритных трансформаторов, так и из-за лучшего температурного режима отдельных компонентов, эффективной механической развязки ламп, возможности оптимального подбора сечения соединительных проводников и сокращения общего числа паяных соединений в цепи сигнала.
Для лучшей механической развязки ламп соединительные провода (а также выводы резисторов и конденсаторов, распаиваемые непосредственно к ламповым панелям) формуются с S-образными изгибами, избегая прямых, жёстких перемычек. В любительских конструкциях монтаж ведётся на изолированных (диэлектрических) шасси. К шасси крепятся металлические стойки, к стойкам — компоненты схемы, соединяемые непосредственно или перемычками из провода. Мелкие элементы (например резисторы) могут припаиваться прямо к большим. Микросхемы при навесном монтаже приклеивают к плате вверх выводами. Такой стиль монтажа на жаргоне радиолюбителей называется «мёртвый жук». В любительской полупроводниковой практике его применяют и сейчас для создания простых конструкций, когда травить плату невыгодно. Если в схеме есть крупные детали (потенциометры, тумблеры, большие конденсаторы и т. д.), часть элементов может закрепляться навесом на них, экономя пространство на печатной плате.
Электрические соединения при навесном монтаже выполняют отрезками медных монтажных проводов. При большом количестве соединений монтажные провода связывают в жгуты. При массовом изготовлении электронной аппаратуры для изготовления жгутов применяют специальные шаблоны. Шаблоны делают плоскими и объёмными. Раскладку проводов на шаблоне выполняют по таблицам соединений. После проверки правильности раскладки жгута ему придают круглую форму и связывают толстой ниткой, применяя специальные стягивающие узлы. Готовый жгут переносят на изделия, закрепляют и выполняют электрические соединения. Для электронной аппаратуры, работающей в условиях механических перегрузок и вибраций, жгуты изготавливают из гибких многопроволочных проводов.
С появлением транзисторов произошла миниатюризация электронных устройств, и стал широко применяться способ печатного монтажа. Печатный монтаж – способ монтажа электронной аппаратуры, при котором соединения электро- и радиоэлементов, в том числе экранирующих, выполняют посредством тонких электропроводящих полосок с контактными площадками, расположенных на печатной плате. Под печатанием схем подразумевают такую технологию производства, при которой монтажные провода в виде полосок фольги наносятся на изоляционное основание (плату). Способы получения печатных проводников:
– травление фольгированного изоляционного материала;
– электрохимическое осаждение;
– вакуумное или катодное распыление;
– вжигание проводящих паст;
– электролитическое осаждение с переносом проводящего рисунка на изоляционную плиту.
В качестве основания используют гетинакс, стеклотекстолит и другие изоляционные материалы, а в качестве проводников – медь, алюминий, никель и золото. Выводы деталей вставляют в металлизированные отверстия платы и запаивают. Одновременно это обеспечивает механическое крепление деталей.
Печатный монтаж имеет следующие преимущества: высокая плотность расположения проводников, малые габариты и масса, низкая стоимость в массовом производстве, хорошая повторяемость параметров, большая механическая прочность и стойкость к климатическим и тепловым воздействиям. Печатный монтаж позволяет уменьшить габариты и массу аппаратуры, широко использовать механизированное и автоматизированное оборудование и высокопроизводительные технологические процессы при её массовом выпуске. При этом значительно повышается надёжность изделий, и заметно сокращаются расход материалов и трудовые затраты.
К недостаткам печатного монтажа относятся: большая длительность цикла подготовки производства, принципиальная невозможность полного экранирования, ограничение максимальных габаритов печатных плат из-за уменьшения их жёсткости, сложность контактирования печатных плат на гибком основании, плохая ремонтопригодность (ограниченное число перепаек).
Печатные платы. В основе печатного монтажа лежит печатная плата, представляющая собой диэлектрическую пластину, на которую с одной или двух сторон нанесены печатные проводники в виде тонких электропроводящих полосок. При печатном монтаже обычно толщина проводников 20–50 мкм, их ширина 0,5–0,8 мм и минимальное расстояние между ними 0,3–0,5 мм. Вследствие благоприятных условий теплоотвода в печатных проводниках допускается высокая (до 30–50 А/мм2) плотность электрического тока. Контактные переходы с одной стороны платы на другую осуществляют путём металлизации стенок отверстий или установкой металлических трубок с последующей их развальцовкой и опайкой. При микроминиатюризации аппаратуры на основе многовыводных интегральных схем применяют многослойные печатные платы (склеенные между собой) и тем самым достигают существенного повышения плотности монтажа.
В практике конструирования электронной аппаратуры на печатной плате особо важное место занимает компоновка. При рациональной компоновке деталей следует добиваться минимальной длины соединительных проводников. Следует также учитывать, что любой элемент схемы (резистор, транзистор, конденсатор, катушка индуктивности и т. д.) требует для нормальной работы площади и объёма пространства гораздо больше своих геометрических размеров, поскольку электрическое, магнитное и тепловое поля работающего элемента выходят за пределы его конструкции. Непродуманная компоновка деталей на плате является главной причиной неудовлетворительной работы прибора, собранного по многократно проверенной схеме.
Технологический процесс сборки печатной платы состоит из следующих типовых этапов:
– подготовка выводов электронных компонентов (формовка, обрезка);
– установка компонентов (ручная, автоматическая);
– пайка (волной припоя, ручная, селективная);
– отмывка (ультразвуковая, струйная).
На некоторых предприятиях сохранилась технология, при которой из-за проблем с покрытиями выводов и хранением компонентов подготовка выводов включала в себя предварительное лужение, однако современная технология этого не предусматривает благодаря качественной упаковке и покрытию выводов современных компонентов.
Подготовка выводов электронных компонентов производится с целью:
– выравнивания (рихтовки) выводов (если требуется);
– обеспечение необходимого монтажного расстояния между выводами;
– получения определённого зазора между платой и компонентом (если требуется);
– фиксации компонентов на плате при ручном монтаже, либо до поступления платы в установку пайки.
Зазор обычно обеспечивается приданием выводам компонентов соответствующего изгиба – т. н. «опорного зи́га» (рисунок 4.1, а); самофиксация элемента на плате перед групповой пайкой – особым изгибом части вывода, входящей в отверстие платы – замка́ (рисунок 4.1, б). Одновременное выполнение зига и замка носит название «зиг-замо́к».
Тяжелые элементы (например трансформаторы) или элементы, подверженные механическим воздействиям (тумблеры, потенциометры, подстроечные конденсаторы), устанавливаются с помощью особых держателей. Такие держатели обеспечивают надежное механическое крепление соответствующих элементов к печатной плате и предотвращают обрыв и поломку выводов под воздействием механических нагрузок.
Формовку круглых или ленточных выводов элементов производят с помощью ручного монтажного инструмента либо специальных полуавтоматических устройств таким образом, чтобы исключались механические нагрузки на места крепления выводов к корпусу. При формовке выводов не допускается их механическое повреждение, нарушение защитного покрытия, изгиб в местах соединения вывода и корпуса, скручивание относительно оси корпусов, растрескивание стеклянных изоляторов и пластмассовых корпусов. Устройства формовки выпускаются с механическим и электрическим приводом подачи компонентов, а также механическим либо пневматическим – самого устройства формовки. Загрузка компонентов производится из лент, трубчатых кассет, россыпи. Геометрические параметры формовки регулируются; установки оснащаются сменными формовочными матрицами. Специальная конструкция матриц формовочных устройств обеспечивает отсутствие избыточных напряжений и зазубрин на материале в месте изгиба вывода.
Примеры отформованных выводов различных компонентов приведены на рисунке 4.2.