книги / Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры

6.Основы проектирования ТП в производстве ЭА

ит. д. Изделие, имеющее две или более детали, соединенные разъемным или неразъемным соединением, называют узлом.

Производственный процесс — совокупность действий рабочих и орудий производства, в результате которых исходные материалы, полуфаб­ рикаты и компоненты превращаются в готовую продукцию (платы, ячейки, блоки и т. п.), соответствующую своему назначению.

Производственный процесс делится на основной и вспомогательный. К основному производственному процессу относят процессы по изготовле­ нию продукции, предусмотренные заказчиком; к вспомогательному — процес­ сы складирования, транспортировки, ремонта, энерго- и водоснабжения и др.

Технологический процесс (техпроцесс) — часть производственного процесса, непосредственно связанная с последовательным изменением со­ стояния предмета труда с превращением его в готовую продукцию. Техно­ логический процесс делится на операции, а операции — на установы, пози­ ции, технологические переходы, ходы, приемы.

Технологическая операция — законченная часть ТП, выполняемая на одном рабочем месте одним или несколькими рабочими над одним или несколькими совместно обрабатываемыми или собираемыми деталями.

Установ или установка — часть технологической операции, выпол­ няемая при неизменном закреплении обрабатываемой заготовки (заготовок) или собираемой сборочной единицы. ,

Технологический переход (переход) — законченная часть техноло­ гической операции, характеризуемая постоянством применяемого инстру­ мента и поверхностей, образуемых обработкой или соединяемых при сборке.

Вспомогательный переход — законченная часть технологической операции, которая не сопровождается изменением формы или состояния заготовки, но необходима для выполнения технологического перехода. На­ пример, установка заготовки, ее закрепление и т. д.

Проход — часть перехода, заключающаяся в снятии одного слоя ма­ териала с обрабатываемой поверхности.

Рабочий ход — законченная часть перехода, состоящая из однократ­ ного перемещения инструмента относительно заготовки, сопровождаемого изменением формы, размеров, шероховатости или свойств заготовки.

Вспомогательный ход — законченная часть перехода, состоящая из однократного перемещения инструмента относительно заготовки без изме­ нения формы, размеров, шероховатости или свойств заготовки.

Холостой ход — то же, что и вспомогательный ход для станковавтоматов.

Позиция — каждое новое положение заготовки относительно инст­ рументов при неизменном ее закреплении в приспособлении. Например, по­ воротное многопозиционное приспособление.

182

6.1. Основные понятия

Прием — совокупность отдельных движений в процессе выполнения работы или подготовки к ней (пуск станка, выключение и т. п.).

Рабочее место — часть производственной площади, оснащенной ос­ новным технологическим и вспомогательным оборудованием и средствами, закрепленными за рабочим для выполнения операции.

Такт выпуска — интервал времени, через который производится вы­ пуск изделий. Например, 1 компьютер через 10 мин.

Ритм вы пуска (производительность) — обратная величина такта - количество изделий в единицу времени.

Различают три основных типа производства продукции — единичное, серийное и массовое. Единичное производство характеризуется единичным или малым объемом выпускаемых изделий, процесс изготовления которых не повторяется или повторяется через неопределенный промежуток време­ ни. Для единичного производства характерно применение универсального, переналаживаемого оборудования, высококвалифицированного персонала, высокая себестоимость продукции и низкая производительность.

Серийное производство характеризуется изготовлением изделий перио­ дически повторяющимися партиями, сериями. В зависимости от количества изделий в партии различают мелкосерийное, среднесерийное (серийное), круп­ носерийное производство. Выпуск партий еженедельный, ежемесячный, еже­ квартальный. Для серийного производства характерно использование специа­ лизированного и автоматизированного оборудования и оснастки, особенно станков с ЧПУ. В ряде случаев, особенно для крупносерийного производства, используют специальное и автоматическое оборудование. Для многономенкла­ турного серийного производства экономически выгодно использование гибких производственных систем (ГПС), для которых используют автоматизирован­ ную систему технологической подготовки производства (АСТПП), автомати­ зированную систему управления технологическими процессами (АСУТП). Производство ЭА различного назначения имеет серийный характер. В серий­ ном производстве рабочие имеют среднюю и высокую квалификацию, произ­ водительность труда выше, чем при единичном производстве.

Массовое производство — это производство одинаковых изделий в течение длительного периода времени. Особенностью данного производства является закрепление за одним рабочим местом одной операции, требующей использования рабочих невысокой квалификации или исключения из про­ цесса рабочих и замены их роботами и робототехническими комплексами. Для массового производства характерным является поточный принцип изго­ товления продукции на автоматических линиях, цехах и даже автоматиче­ ских заводах. Оборудование и оснастка, как правило, специальное, дорогое и высокопроизводительное. Производство микросхем и ЭРЭ следует отне­ сти к массовому типу производства.

183

6. Основы проектирования 77/ в производстве ЗА

6.2. Виды технологических процессов

Технологические процессы (ТП) в зависимости от подробности их разработки, типизации, наличия оборудования и объема выпуска изделий классифицируют на следующие виды:

•проектный (начальная стадия, много вариантов);

•рабочий (конкретный, для работы);

•единичный (ТП только на данное изделие, как правило, массовое производство);

•типовой (на конструктивно подобные изделия. Например, ТП на из­ готовление печатных плат);

•групповой (на технологически подобные изделия для мелкосерийно­ го, многономенклатурного производства);

•временный (оперативный), для имеющегося на предприятии обору­ дования при изготовлении пробных изделий;

•стандартный (обязательный к применению для отрасли, государст­ ва. Например, стандартные методики испытания электронно-вычислительной аппаратуры);

•перспективный (для вновь разрабатываемых производств или мо­ дернизации старых предприятий);

•маршрутный,

•операционный',

•маршрутно-операционный.

Последние три определяют степень подробности разработки ТП. Маршрутный технологический процесс определяет порядок (мар­

шрут) следования операций, их вид и наименование, оборудование и осна­ стку для выполнения операций, трудоемкость выполнения операций и ква­ лификацию работников. Для мелкосерийного производства достаточна раз­ работка маршрутной технологии. При этом все параметры разработки заносятся в маршрутные карты.

Для средне- и крупносерийного, а также массового производств после маршрутной технологии следует разработка операционной технологии. При этом каждая операция разрабатывается подробно. Окончательно выбирается оборудование и оснастка, выбираются или рассчитываются технологические режимы. Операция дробится на технологические переходы — используется принцип дифференциации и концентрации технологических переходов при выполнении операции. Вычерчивается эскиз операции с установочными ба­ зами и настроечными размерами. Рассчитывается операционное время (/оп) и окончательно устанавливается норма штучного времени (Тшт). Данные раз­ работки заносятся в операционные карты.

184

6.3. Этапы разработки технологических процессов

Маршрутно-операционная технология применяется, когда на отдель­ ные наиболее сложные операции маршрутной технологии разрабатывается операционная технология.

Исходными данными для разработки технологических процессов яв­ ляются:

•конструкторская документация на изделие (сборочные чертежи, ра­ бочие чертежи, электрические схемы, монтажные схемы);

•технические требования на изделие, где указываются дополнительные требования к изделию. Например, необходимость защиты, виды испытаний;

•спецификация на входящие в изделие компоненты;

•объем выпуска продукции (N)\

•сроки выпуска (еженедельно, ежемесячно, ежеквартально);

•наличие технологического оборудования, оснастки;

•справочная, нормативная литература, программы.

6.3. Этапы разработки технологических процессов

Правила разработки техпроцессов определены в рекомендациях Р50-54-93-88. В соответствии с этими правилами разработка ТП состоит из по­ следовательности этапов, набор и характер которых зависит от типа запускае­ мого в производство изделия, вида ТП, типа производства. В табл. 6.1 в качест­ ве примера приведены этапы разработки ТП монтажа и сборки электронных узлов.

Таблица 6.1. Этапы разработки ТП монтажа и сборки электронных узлов

185

Изучение документации позволяет оценить конструктивную компо­ новку и особенности сборочного узла; количественный состав навесных элементов и деталей пространственной компоновки; характер размещения и варианты установки ЭРЭ и интегральных микросхем (ИМС) на плате; виды контактных соединений и способы электрического монтажа навесных эле­ ментов; технические требования обеспечения надежности функционирова­ ния узла и защиты его от внешних воздействий.

Анализ и расчет технологичности электронного узла

Комплексное понятие «технологичность» включает в себя большое количество параметров запускаемого в производство изделия, ТП и непо­ средственно производства, определяющих в конечном итоге потребитель­ ские качества изделия. Анализ технологичности позволяет оценить возмож­ ность использования для изготовления деталей, сборки и монтажа изделия известных методов выполнения операций и процессов, выполняемых на достаточно высоком уровне механизации и автоматизации.

186

6.3. Этапы разработки технологических процессов

Количественная оценка технологичности электронных узлов прово­ дится по системе базовых показателей (табл. 6.2), включающих отработан­ ные и достигнутые при доработке и совершенствовании изделия параметры. По базовым показателям рассчитывается комплексный показатель техноло­ гичности по выражению

*Tex=i*,<P,/L<P„

I 1

где ср, — коэффициент весовой значимости показателя ф,

Таблица 6.2. Базовые показатели технологичности электронных узлов

187

6. Основы проектирования ТП в производстве ЭА

Часть данных для расчета берется из ТД на изделие (#имс> #

# т .о р э р э . Д)- Количество контактных соединений на плате определяется под­ счетом выводов навесных элементов, петель объемного проводного монта­ жа, проводов-перемычек. Так как на плате все контактные соединения полу­ чают пайкой, то оценивается возможность механизации пайки Нам, с уче­ том конструкции соединения (планарный вывод, штыревой вывод, петля провода и т. д.), известных способов пайки, наличия оборудования и серий­ ности производства.

Возможность механизации подготовки выводов навесных элементов к монтажу //Мпэрэ определяется наличием стандартных форм выводов, типом и типоразмерами их корпусов. ИМС в корпусах четвертого типа имеют стан­ дартную форму выводов. Для их формовки применяют приспособления с ручным приводом, штампы и механизированные устройства. Более трудоемка планарная формовка штыревых выводов конденсаторов. Формовку выводов небольшого количества диодов и резисторов следует осуществлять вручную.

Коэффициент механизации контроля и настройки /Гмкн относительно невелик, так как для сборки электронных узлов необходим рад трудоемких и маломеханизированных операций контроля: проверка паяемосги плат перед монтажом, качества отмывки и лакировки плат, качества приклейки прокладок под корпуса навесных элементов, установки элементов и качества пайки их вы­ водов. Функциональные параметры платы контролируются на специальных стендах. Расчетное значение Кпк сравнивается с нормативным Кн, который для серийного производства электронных узлов изменяется в пределах 0,5—0,8, для установочной серии — 0,45—0,75 и для опытного образца — 0,4— 0,7.

Выбор техпроцесса сборки электронного узла

Для ТП сборки и монтажа конструктивных элементов первого уровня (модулей, ТЭЗ, узлов) типовые операции приведены в табл. 6.3.

188

6.3. Этапы разработки технологических процессов

Таблица 6.3. Основные операции ТП сборки

Этап комплектации навесных элементов и деталей, входящих в состав модулей первого уровня, трудоемок и выполняется в основном вручную. Это связано с многообразием тары, в которой поставляются ЭРЭ и ИМС. Микросхемы в индивидуальной таре-спутнике распаковываются на автома­ тах с ориентацией по ключу и укладкой в технологические кассеты.

Этап подготовки к монтажу включает техпроцесс подготовки печат­ ных плат, ЭРЭ, ИМС и конструкционных деталей. Операции подготовки ЭРЭ и ИМС в мелкосерийном производстве выполняются вручную на рабо­ чем месте монтажника простейшими приспособлениями и с дальнейшим размещением элементов в технологической таре по номиналам. В крупносе­

189

6. Основы проектирования ТП в производстве ЭА

рийном производстве применяются автоматы рихтовки и обрезки выводов, флюсования и лужения, промывки и сушки подготовленных навесных эле­ ментов. В некоторых автоматах все эти операции объединены в одном цикле и выполняются в виде переходов. Автоматизированная подготовка требует специальных кассет для загрузки и выгрузки элементов. Для ЭРЭ с осевыми выводами, которые кассетируют путем вклеивания в ленту, формовка про­ изводится на автомате непосредственно перед установкой на плату.

Установку на плату начинают со штырей, лепестков, навесных шин, прокладок после подготовки (рихтовка, обезжиривание) их базовых поверх­ ностей. Установка ЭРЭ и ИМС в зависимости от типа производства осуще­ ствляется несколькими способами: вручную, со световой индикацией, по шаблону, автоматически.

При установке вручную монтажник по схеме или маркировке на плате определяет место положения элемента, извлекает его из тары, устанавливает и, если необходимо, распаивает выводы. Первые два перехода составляют большую часть штучного времени. Для сокращения времени установки всех навесных элементов монтажное поле платы делится на зоны, в каждой из которых работает один монтажник. В этом случае может быть организована конвейерная установка элементов.

Применение метода световой индикации требует оснащения рабочего места монтажника проекционной системой и транспортером подачи тары с элементами. С помощью светового луча индицируется место установки, а транспортер синхронно подает тару с элементами требуемого типономинала. Остальные переходы осуществляются монтажником вручную.

Установка по шаблону характеризуется более высоким уровнем меха­ низации. Точное позиционирование монтажного стола осуществляется вручную с помощью щупа и координатных отверстий на шаблоне, а уста­ новка элементов — автоматически укладочной головкой. Элементы пода­ ются из кассет в последовательности установки на плату. Этот способ более производительный, но менее универсальный, так как требует сменных или переналаживаемых инструментов при изменении типоразмеров корпусов элементов.

Для автоматизированной установки применяется специализирован­ ное оборудование с ЧПУ или робото-технологические комплексы с подачей элементов из технологических кассет.

Получение контактных соединений в модулях первого уровня осуще­ ствляется преимущественно пайкой, расплавленным или расплавляемым припоем под действием постоянного или импульсного нагрева зоны соеди­ нения. При одностороннем монтаже навесных элементов на плате и фикса­ ции их положения (подгибка, зиг-формовка, подпружинивание, предвари­ тельная подпайка выводов, приклеивание корпуса элемента) применяется

190

6.3. Этапы разработки технологических процессов

механизированная пайка волной припоя. Групповая пайка планарных выво­ дов ИМС проводится расплавленным припоем с постоянным нагревом па­ яльником или расплавляемым припоем с импульсным нагревом электрода­ ми, роликами, лучом лазера, струей газа. Импульсный нагрев локализует тепловое воздействие в зоне выводов, но требует дополнительной подачи припоя путем напрессовки, подачи трубчатого припоя в зону пайки, качест­ венного лужения. Операции промывки и сушки модулей необходимы для удаления флюса, продуктов пайки, следов от рук, пыли. Они выполняются на механизированных конвейерных линиях. Качество контактных соедине­ ний оценивается визуально.

Этап контроля модулей наиболее ответственный и трудоемкий. Он выполняется в отладочном, диагностическом и контрольном режимах с по­ мощью специальной аппаратуры, стендов и автоматических систем контро­ ля. Замена неисправных ИМС требует дополнительных монтажных опера­ ций и повторного контроля параметров. Годные модули проходят операции лакирования и сушки и, если необходимо, испытания с контролем параметров.

Анализ объема выпуска изделия

Годовой объем выпуска электронного узла N, шт./год, позволяет рассчи­ тать такт выпуска Тв, мин/шт., определить количество изделий, выпускаемых в смену, в месяц, в квартал, сделать вывод о типе (серийности) производства, вы­ брать оборудование соответствующей производительности и оценить его за­ грузку, провести технико-экономическое обоснование операций и ТП.

На этапе анализа исходных данных определяется Тя = 60ФД/7У мин/пгг., сменное задание и месячная партия изделий. Действительный годовой фонд времени Фд при односменной работе составляет около 2070 ч. Он определя­ ется количеством рабочих дней в году (253), продолжительностью рабочей недели (41 ч) и смены (8,2 ч), учитывает дни с полной продолжительностью смены (247) и сокращенные на 1 ч (6). Годовой фонд времени работы техно­ логического оборудования Фоб < Фя, что связано с техническим обслужива­ нием и принятым на предприятии коэффициентом использования оборудо­ вания. Так, для механического, сборочно-монтажного и регулировочного оборудования Ф0б = 2030 ч, для конвейера — 1970 ч, автоматов и полуавто­ матов— 1955 ч.

Разработка схемы сборки

После выбора типовых операций и ТП сборки следует перейти к ана­ лизу сборочного состава изделия и разработке схемы сборки, которая, на­ пример применительно к ЭВМ, представлена на рис. 6.1.

191