Разработка технологического процесса изготовления, сборки и монтажа

Технологический процесс (ТП) изготовления радиоаппаратуры представляет собой сложный комплекс действий оборудования и исполнителей по преобразованию исходных материалов в готовое изделие. Построение технологического процесса предприятия и его оснащенность определяются количеством выпускаемых изделий. В зависимости от количества выпускаемых изделий различают единичное, серийное и массовое производство.

При серийном производстве изготовление изделий ведут чередующимися партиями. В зависимости от величины партии различают мелкосерийное и крупносерийное производство. При мелкосерийном производстве используют специальную оснастку и инструмент, подробно разрабатывают технологический процесс, операции закрепляют за определенными рабочими местами. При крупносерийном производстве рабочие места оснащают специальными приспособлениями и инструментами, используют рабочих более низкой квалификации, так как технологические операции упрощаются.

Процесс монтажа состоит из следующих частей:

а) установка и пайка элементов, монтируемых в отверстия;

б) контроль.

Рассмотрим каждую из составляющих технологического процесса подробнее.

Пайка двойной волной припоя.

Пайка волной припоя появилась 30 лет назад и в настоящее время достаточно хорошо освоена. Она применяется только для пайки компонентов в отверстиях плат (традиционная технология), хотя некоторые изготовители утверждают, что с ее помощью можно производить пайку поверхностно монтируемых компонентов с несложной конструкцией корпусов, устанавливаемых на одной из сторон коммутационной платы.

Процесс пайки прост. Платы, установленные на транспортере, подвергаются предварительному нагреву, исключающему тепловой удар на этапе пайки. Затем плата проходит над волной припоя. Сама волна, ее форма и динамические характеристики являются наиболее важными параметрами оборудования для пайки. С помощью сопла можно менять форму волны; в прежних конструкциях установок для пайки применялись симметричные волны. В настоящее время каждый производитель использует свою собственную форму волны (в виде греческой буквы " омега", Z-образную, Т-образную и др.). Направление и скорость движения потока припоя, достигающего платы, также могут варьироваться, но они должны быть одинаковы по всей ширине волны. Угол наклона транспортера для плат тоже регулируется. Некоторые установки для пайки оборудуются дешунтирующим воздушным ножом, который обеспечивает уменьшение количества перемычек припоя. Нож располагается сразу же за участком прохождения волны припоя и включается в работу, когда припой находится еще в расплавленном состоянии на коммутационной плате. Узкий поток нагретого воздуха, движущийся с высокой скоростью, уносит с собой излишки припоя, тем самым разрушая перемычки и способствуя удалению остатков припоя.

Когда впервые появились коммутационные платы, с обратной стороны которых компоненты устанавливались на поверхность, их пайка производилась волной припоя. При этом возникло множество проблем, связанных как конструкцией плат, так и с особенностями процесса пайки, а именно: непропаи и отсутствие галтелей припоя из-за эффекта затенения выводов компонента другими компонентами, преграждающими доступ волны припоя к соответствующим контактным площадкам, а также наличие полостей с захваченными газообразными продуктами разложения флюса, мешающих дозировке припоя.

 

Совершенствование конструкции платы оказалось недостаточным для достижения высокого уровня годных при традиционных способах изготовления изделий с простыми компонентами, монтируемыми на поверхность обратной стороны плат. Потребовалось изменить технологический процесс пайки волной, внедрив вторую волну припоя. Первая волна делается турбулентной и узкой, она исходит из сопла под большим давлением (рис. 27).

Турбулентность и высокое давление потока припоя исключает формирование полостей с газообразными продуктами разложения флюса. Однако турбулентная волна все же образует перемычки припоя, которые разрушаются второй, более пологой ламинарной волной с малой скоростью истечения. Вторая волна обладает очищающей способностью и устраняет перемычки припоя, а также завершает формирование галтелей. Для обеспечения эффективности пайки все параметры каждой волны должны быть регулируемыми. Поэтому установки для пайки двойной волной должны иметь отдельные насосы, сопла, а также блоки управления для каждой волны. Установки для пайки двойной волной рекомендуется приобретать вместе с дешунтирующим ножом, служащим для разрушения перемычек из припоя.

Хорошо разнесенные, не загораживающие друг друга компоненты способствуют попаданию припоя на каждый требуемый участок платы, но при этом снижается плотность монтажа. [34]

Контроль.

Рабочее место на основе системы визуального контроля MANTIS отвечает всем требованиям эргономики, уменьшает усталость работника в процессе работы, повышает его производительность за счет снижения напряжения зрения и уменьшения утомляемости глаз.

Стереоизображение с высокой разрешающей способностью, большая глубина резкости, оптимальная цветопередача и хорошее регулируемое освещение обеспечивают более эффективное проведение работ. Эффективность системы MANTIS сохраняется при работе в очках или с контактными линзами.

Пользователю доступны пять объективов с различной степенью увеличения, два из которых постоянно находятся на турели и могут быть выбраны простым переключением рычага. Для работы в условиях сильного загрязнения, например, при пайке, объективы могут быть оснащены прозрачными защитными фильтрами. Применение сменного патрона с влагопоглотителем препятствует запотеванию оптической системы прибора.

Достоинства:

- максимальное увеличение до 10 крат;

- стереоизображение с высокой разрешающей способностью;

- антибликовый экран;

- регулируемое освещение;

- низкая утомляемость оператора.

Все вышеперечисленное позволяет добиться высокого качества изготовления проектируемого изделия.

Основными документами при разработке технологических процессов являются технологические карты. В картах указывается структура технологического процесса и его содержание, последовательность выполнения операций, применяемое оборудование, режимы обработки и тому подобное. Применяются технологические карты трех видов: маршрутные, технологического процесса и операционные.

Маршрутные карты представляют собой технологический документ, содержащий описание технологического процесса изготовления или ремонта изделия по всем операциям различных видов в технологической последовательности с указанием данных об оборудовании, оснастки, материальных и трудовых нормативах, в соответствии с установленными нормами. Эти карты определяют последовательность прохождения обрабатываемого изделия по цехам. Они применяются в единичном и мелкосерийном производстве в тех случаях, когда не требуется точной деталировки технологического процесса и обрабатываемое изделие твердо не закреплено за операциями на длительное время.

Маршрутные карты содержат сведения о материале и маршрутах заготовки, цехах и мастерских, в которых производится обработка, а так же перечень операций, оборудования, технологической оснастки, профессий и разряды рабочих, а так же нормированные сведения.

Маршрутные карты технологического процесса сборки печатной платы приведены в приложении. Технологический процесс разработан в соответствии с ОСТ 4ГО.019.432 [22]

 

Инженерные расчеты

Расчет надежности

Надежность – свойство изделия выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течении требуемого промежутка времени.

Все устройства с точки зрения надежности делят на восстанавливаемые и невосстанавливаемые. Восстанавливаемым считается устройство, работа которого после отказа может быть восстановлена в результате проведения необходимых восстановительных работ. Устройство, работа которого после отказа полностью невозможна или нецелесообразна, называется невосстанавливаемым. Разрабатываемое устройство является восстанавливаемым.

В технических условиях на аппаратуру устанавливают допустимые пределы изменения основных параметров. Если происходит нарушение нормальной работы, при котором наступает полное нарушение (прекращение) работоспособности системы (элемента), или параметры выходят за пределы установленных допусков, то такое состояние называют отказом. Различают отказы внезапные и постепенные. Внезапные отказы возникают в результате скачкообразного изменения параметров устройств (например, пробой диэлектрика, сгорание резистора). Постепенные отказы возникают вследствие медленного изменения параметров устройств за счет действия различных дестабилизирующих факторов. Деление отказов на внезапные и постепенные условно. Эти понятия отражают только скорость изменения параметров во времени.

Надежность – это мера способности аппаратуры работать безотказно. Количественно надежность устройств выражается показателями надежности. Расчет надежности заключается в определении показателей надежности изделия по известным характеристикам надежности составляющих компонентов. Важным показателем надежности является вероятность безотказной работы аппаратуры в течении заданного периода времени.

Результаты расчетов надежности позволяют решать различные задачи конструирования РЭА:

- выбирать из различных вариантов системы лучшую по надежности;

- принять или отклонить конструкцию до ее практического выполнения, не расходуя средств на ее изготовление и испытания;

- определить пути повышения надежности создаваемой конструкции.

Надежность РЭА можно повысить в процессе конструирования следующими методами:

- применением наиболее надежных и перспективных элементов со сроком службы и техническим ресурсом не менее заданных в техническом задании на аппаратуру;

- снижением уровня электрической нагрузки элементов;

- снижением рабочей температуры в изделии;

- защитой элементов и всей конструкции от воздействий окружающей среды;

- повышением стабильности параметров элементов относительно воздействий окружающих условий;

- введением предохранителей и защитных устройств;

- упрощением схем и конструкций;

- заменой дискретных элементов интегральными схемами;

- резервированием.

При расчете надежности генератора «воющего» шума приняты следующие допущения:

- интенсивности отказов всех элементов постоянны;

- отказы элементов изделия являются событиями случайными и независимыми друг от друга;

- все элементы и узлы с точки зрения надежности соединены последовательно, т.е. отказ каждого элемента является отказом изделия в целом;

- при расчете надежности учитывались только внезапные отказы ЭРЭ, паек и узлов (при определении интенсивности отказов при хранении учтены и постепенные отказы). [25]

 

Таблица 9. Значения интенсивностей отказов [4]

Наименование и тип ЭРЭ	Количество ЭРЭ, Ni	Интенсивность отказов
		*10-6, 1/ч	Ni* 10-6, 1/ч
Резистор постоянный С1-4	7	0, 03	0, 21
Резистор переменный СП3-19	3	0, 033	0, 099
Конденсатор К73-11	1	0, 15	0, 15
Конденсатор полярный К50-15	1	0, 15	0, 15
Транзистор 2N2222	1	0, 0015	0, 0015
Транзистор 2N2646	2	0, 0015	0, 003
Звукоизлучатель ЗП-2	1	0, 7	0, 7
Выключатель	1	0, 6	0, 6
Плата печатная	1	0, 7	0, 7
Пайка	40	0, 01	0, 4
Всего:	58		3, 01

 

Общая интенсивность отказов устройства с учетом условий эксплуатации найдём по формуле:

 

, (3.9)

 

где  и - поправочные коэффициенты в зависимости от воздействия механических факторов;

- поправочный коэффициент в зависимости от воздействия влажности и температуры;

- поправочный коэффициент в зависимости от давления воздуха;

 - поправочный коэффициент в зависимости от температуры поверхности элемента и коэффициента нагрузки.

Для лабораторных условий: , , , , = 1, 0.

Среднее время наработки на отказ T_ср, вычисляется по формуле:

 

 (3.10)

 

Полученное время превышает заданную наработку на отказ (10 000 ч).

Вероятность безотказной работы устройства за время t по формуле:

 

P(t)=еxp(-λ _изд*t)=exp(-t/T_ср). (3.11)

 

Вероятность безотказной работы для времени, t=5000ч.:

P(t) = 0, 9995

Полученные результаты говорят о высокой надежности сконструированного преобразователя.

График зависимости вероятности безотказной работы от времени представлен на рисунке 28.

 

Рисунок 28.Зависимость вероятности безотказной работы от времени эксплуатации

 

Вывод: Полученное среднее время наработки до отказа превышает указанное в техническом задании, следовательно, требования по надежности выполняются.

Расчет теплового режима

Практически все радиоэлементы схемы излучают тепловую энергию. Резисторы рассеивают тепло, выделяющееся в их резистивном слое. Транзисторы рассеивают тепло, выделяющееся в их коллекторном переходе. Конденсаторы нагреваются из-за потерь в диэлектрике. В какой-то степени нагреваются даже соединительные провода и проводники на печатной плате.

Нормальное функционирование РЭА возможно лишь при условии поддержания температур ее элементов в определенных пределах. Изменение теплового режима оказывает влияние на характеристики элементов и может привести к возникновению физико-химических процессов, выводящих элемент из строя. При этом дестабилизирующими тепловыми воздействиями являются рассеиваемые при работе элементов мощности, изменения температуры внешней среды и тепловые потоки от окружающих прибор объектов. Поэтому на этапе конструкторского проектирования РЭА при выборе вариантов конструкции и компоновки наряду с задачами обеспечения монтажно-коммутационных требований, помехоустойчивости, технологичности, вибропрочности необходимо решать задачи обеспечения нормального теплового режима.

Применение новой элементной базы, позволяющей уменьшить массу и объем устройств, во многих случаях увеличивает удельные рассеиваемые мощности, что заставляет искать новые пути решения задач обеспечения теплового режима. Часто требования к тепловому режиму приводят к необходимости использования систем охлаждения и термостатирования, конструкции которых во многом определяют конструкцию самой аппаратуры, причем массогабаритные показатели и энергопотребление системы охлаждения могут быть соизмеримы или превышать соответствующие характеристики функциональных устройств.

Из выше сказанного вытекает, что проблемы комплексной микроминиатюризации, унификации конструкций, повышения надежности и автоматизации конструкторского проектирования РЭА неразрывно связаны с разработкой эффективных систем охлаждения и методов проектирования конструкций, обеспечивающих нормальный тепловой режим.

При конструировании устройств процессы теплообмена должны рассматриваться на всех уровнях компоновки — от функциональных узлов до многоблочных конструкций и отсеков. Выбор систем охлаждения каждого уровня должен проводиться с учетом возможности отвода теплоты и наличия фоновых перегревов на более высоком конструктивном уровне. Поэтому, если это возможно, тепловое проектирование следует начинать с верхних уровней и при переходе на более низкий иметь для рассматриваемого модуля достоверную информацию о тепловых воздействиях со стороны других модулей.

Расчёт теплового режима необходим, т.к. он позволяет определить надёжность функционирования наиболее критичных к температуре радиоэлементов, позволяет проконтролировать их тепловой режим и не допустить их перегрева.

Определение мощности, выделяющейся радиоэлементами внутри аппарата, является сложной задачей, так как тепловыделение отдельного элемента зависит от большого количества факторов. Так, для цифровых микросхем потребляемая ими мощность сильно зависит от частоты работы. Для аналоговых микросхем рассеиваемая мощность определяется параметрами входных и выходных сигналов (током и напряжением). Для диодов и транзисторов, работающих в импульсном режиме, тепловыделение определяется параметрами протекающих токов (длительность импульса, амплитуда импульса тока, скважность, форма импульса и др.). Для элементов источника питания тепловыделение сильно меняется при изменениях напряжения в питающей сети и при изменениях тока нагрузки. Тепловыделение конденсаторов и индуктивностей также зависит от формы импульсов тока и напряжения, параметров диэлектрика. [18]

Определим температуру корпуса.

1. Рассчитаем площадь внешней поверхности устройства:

 

, (3.12)

 

где  и  - габаритные размеры корпуса блока.

(м²)

2. Рассчитываем удельную поверхностную мощность корпуса:

 

, (3.13)

 

где  - мощность, рассеиваемая устройством, Вт.

 (Вт/м²).

3. Задаемся значением перегрева корпуса в первом приближении ∆ t_k = 0, 1^o C.

4. Определяем коэффициент лучеиспускания для верхней a_л.в, боковой a_л.б и нижней a_л.н поверхностей корпуса:

 

_, (3.14)

 

где  - степень черноты i-ой наружной поверхности корпуса зададимся значением  = 0, 92);

5. Рассчитаем определяющую температуру:

, (3.15)

 ( ^o C).

5. Для определяющей температуры рассчитываем число Грасгофа Gr для каждой поверхности корпуса:

 

, (3.16)

 

где  - коэффициент объемного расширения ( );

 - ускорение свободного падения, м/с²;

 - кинетическая вязкость газа (для воздуха);

 - определяющий размер i-ой поверхности.

6. Определяем число Прандтля Pr для определяющей температуры : Pr =0, 702.

7. Находим режим движения газа или жидкости, обтекающих каждую поверхность корпуса:

( Gr× Pr)_m £ 5× 10 ² - режим переходный к ламинарному;

5× 10 ² £ (Gr× Pr)_m £ 2× 10 ⁷ - ламинарный режим;

( Gr× Pr)_m ³ 2× 10 ⁷ - турбулентный режим

Gr × Pr = 5, 218 × 10 ⁷ - турбулентный режим

8. Рассчитываем коэффициенты теплообмена конвекцией для каждой поверхности корпуса блока :

 

, (3.17)

 

где  - теплопроводность газа (для воздуха);

 - коэффициент, учитывающий ориентацию поверхности корпуса:

.

.

.

9. Определим площади нижней, боковой и верхней поверхностей корпуса:

 

_, (3.18)

 

, (3.19)

 

 (м²).

 (м²).

10. Определяем тепловую проводимость между поверхностью корпуса и окружающей средой :

 

, (3.20)

 

(Вт/(м²× К)

11. Рассчитываем перегрев корпуса блока РЭА во втором приближении :

, (3.21)

 

где  - коэффициент, зависящий от коэффициента перфорации корпуса;  - коэффициент, учитывающий атмосферное давление окружающей среды;

 

, (3.22)

 

, (3.23)

 

 =0, 229 и  = 0, 995

(^оС).

12. Определяем ошибку расчета:

 

, (3.24)

 

 £ .

Так как величина погрешности меньше допустимой, то расчет можно считать законченным.

13. Рассчитываем температуру корпуса:

 

, (3.25)

 (^oC).

Полученное значение температуры корпуса находится в пределах допустимой нормы, а перегрев нашей платы невелик – 0, 0904 ^oC, следовательно, тепловой режим устройства соблюдается.

 

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться: