Классификация способов групповой пайки.

Современные способы групповой пайки блоков ЭА можно классифици­ровать по нескольким признакам, яв­ляющимся главными факторами при формировании паяных соединений. Образование паяного соединения вклю­чает стадии активации паяемых мате­риалов, перехода припоя в жидкое со­стояние, смачивания и растекания при­поя, взаимодействия припоя с паяемы­ми материалами. Таким образом, один из важных факторов – тепловая энер­гия системы – определяет скорость протекания процессов на всех стадиях и качество получаемых соединений.

Передача тепловой энергии осуще­ствляется теплопроводностью, кон­векцией, излучением либо их совмест­ным действием. При нагреве тепло­проводностью источниками тепловой энергии могут быть расплав в ванне, волна припоя, нагретая жидкость ли­бо групповой инструмент. Конвектив­ный теплообмен осуществляется с ис­пользованием летучего теплоносителя: горячего газа, паров жидкости, пламе­ни горелки. Излучение, наиболее эф­фективное в форме концентрирован­ных потоков энергии, вводится в зону пайки контактным путем, например УЗ-колебаниями, либо бесконтактным: электромагнитной волной, инфракрас­ным излучением, лазерным лучом и т. д. Классификация способов группо­вой пайки приведена на рис. 6.1.

Рис.6.1. Классификация способов групповой пайки.

Другим не менее важным фактором являются физико-химические процес­сы взаимодействия паяемых материа­лов и припоя, включая механизмы уда­ления оксидных пленок, воздействия специальных сред и т. д. Удаление ок­сидных пленок может осуществляться за счет применения флюсов, механи­ческим путем, созданием специальных сред, УЗ-колебаниями, плазмохимической или ионной очисткой.

Основными критериями, характери­зующими эффективность каждого из способов пайки, могут служить следующие:

- скорость нагрева паяемых элементов;

- локальность;

- уровень энергопотребления;

- уровень автоматизации;

- габаритно-программный показатель;

Скорость нагрева непосредственно определяет время, производительность и экономичность процесса пайки. Со­вместное действие нагрева погружением и УЗ-активации позволяет реали­зовать различные способы бесфлюсо­вой пайки, УЗ, ВЧ, ИК-излучений – бесфлюсовые и бесконтактные методы активации.

Увеличение локальности нагрева позволяет ограничить температурное воздействие на паяемое изделие, сни­зить тем самым нагрев термочувстви­тельных компонентов и платы, повы­сить качество паяных соединений. Уровень энергопотребления характе­ризует экономичность метода, способ­ность эффективно использовать тепловую энергию без больших ее потерь в окружающем пространстве. Уровень автоматизации показывает, какая доля операций всего технологического про­цесса пайки автоматизирована и харак­теризует применяемое технологическое оборудование по уровню автоматизации процесса. Габаритно-программный по­казатель определяет эффективность использования оборудования для за­данной серийности производства на данной производственной площади.

Кроме перечисленных факторов выбор способа групповой пайки опре­деляется экологической чистотой про­цесса, особыми требованиями техники безопасности конструктивными фор­мами паяных соединений.

Пайка погружением.

При пайке погружением собранная плата стороной пайки опускается в расплавленный припой, который яв­ляется источником нагрева. Так как переход теплоты от жидкого припоя большой массы (50 кг и более) к кон­тактным площадкам и выводам ком­понентов происходит достаточно бы­стро, то нагрев зоны соединения до температуры пайки достигается в те­чение 1-2 с. В зависимости от харак­тера движения платы относительно поверхности припоя различают сле­дующие способы пайки погружением в расплав припоя (рис.6.2):

- вертикальным перемещением (а),

- наклон­ным перемещением (б),

- колебатель­ным движением (в),

- маятниковым движением (г),

- протягиванием по по­верхности припоя (д),

- избирательной подачей припоя (е).

Рис.6.2. Способы пайки погружением.

Погружение платы в припой верти­кальным перемещением осуществляют на глубину, не превышающую ее тол­щину. Наиболее важными технологи­ческими параметрами при этом явля­ются: температура расплава припоя, которая поддерживается на уровне 260-280 °С, и время погружения в пре­делах 4-6 с. Ванны для пайки осна­щаются терморегуляторами, которые поддерживают температуру в заданном интервале с точностью ±5°С. Нагре­вательные элементы располагают та­ким образом, чтобы дно ванны было нагрето сильнее ее стенок. В этом случае за счет естественной конвек­ции происходит перемешивание жид­кого припоя, обеспечивающее одно­родность состава во всем объеме ван­ны. Поверхность припоя (зеркало) при пайке должна быть чистой и сво­бодной от оксидов, которые удаляют­ся скребком перед каждым погруже­нием платы.

При вертикальном погружении и извлечении платы наблюдается ряд недостатков, которые связаны с усло­виями удаления жидких и газообраз­ных остатков флюса и излишков при­поя. Затрудненность выхода остатков флюса на поверхность припоя может привести к «захвату» флюсом припоя и образованию ложных паек. Припой не успевает стекать с платы и затвер­девает с образованием сосулек, короткозамыкаюших мостиков.

Ряд этих недостатков устраняется при наклонном погружении и извлече­нии платы. При погружении под углом 5-7° обеспечивается удаление газовых фракций флюса и продуктов реакции, а также стекание припоя. Удачным сочетанием способа с наклонным по­гружением платы и устройства для снятия оксидных пленок является способ пайки в лотке (рис.6.3, а).

Рис. 6.3. Способы пайки в лотке с применением вибраций.

Припой находится в неподвижной ванне /, а плата 2 с установленными компонентами укладывается наклонно в держатель 3 логка 4. Лоток в попе­речном сечении имеет форму тре­угольника с вершиной угла, направ­ленного в глубь ванны. При опуска­нии лотка в расплав припоя треуголь­ное днище рассекает пленку оксидов на поверхности припоя и своим приемным отверстием 5 начинает заби­рать припой из глубины ванны. При этом создаются условия для постепен­ного удаления из зоны пайки жидких и газообразных остатков флюса, пода­чи в зону пайки чистого припоя. Не­достатками данного метода являются: низкая производительность процесса, что определяет его пригодность для мелкосерийного производства; большой процент дефектных соединений; повы­шенный расход припоя; значительное термическое воздействие на плату.

Повышения качества паяных соеди­нений в платах с металлизированны­ми отверстиями достигают примене­нием колебательных движений платы (рис.6.3, б).Плата закрепляется в держателе, на который подаются ме­ханические колебания частотой 50–300 Гц и амплитудой 0,5-2,0 мм, по­лучаемые от электромагнитного виб­ратора, либо УЗ-колебания частотой 20-44 кГц и амплитудой 10-20 мкм. Механические вибрации способствуют проникновению припоя в металлизи­рованные отверстия, удалению остат­ков флюса, улучшают структуру при­поя в соединении. Ультразвуковые ко­лебания вызывают разрушение оксид­ных пленок и улучшают смачивание припоем паяемых поверхностей. Не­достатками данного способа являются: необходимость надежного фиксирова­ния компонентов на плате; возмож­ность возникновения механических резонансов в компонентах, особенно транзисторах, что приводит к их по­вреждению.

Маятниковое движение плат, слегка изогнутых по дуге, уменьшает тепловое воздействие на плату, способствует удалению остатков флюса и излишков припоя. Однако при этом затрудняет­ся крепление компонентов на плате, уровень припоя в ванне необходимо поддерживать с точностью ±1 мм.

Пайка протягиванием по поверхно­сти припоя заключается в том, что плата укладывается в держатель, кото­рый под углом 5-10° опускается на поверхность припоя и протягивается определенное расстояние по зеркалу припоя. Впереди держателя имеется скребок, который очищает поверх­ность зеркала от оксидов припоя. При подъеме платы излишки припоя сте­кают в ванну. Поскольку спокойная ванна припоя имеет меньшую склон­ность к окислению, то состав и чисто­та припоя поддерживаются с хорошим постоянством. Скорость протягивания составляет 5-8 м/мин, время протя­гивания одной платы – до 10 с. Уста­новки для пайки протягиванием легко встраиваются в обычный сборочный конвейер. Недостатками способа яв­ляются относительно большое время пайки и связанное с этим значитель­ное тепловое воздействие на поверх­ность платы. Последний недостаток устраняется применением защитных масок.

Во избежание коробления плат при пайке погружением термочувствитель­ных элементов применяют избира­тельную пайку, которая заключается в подаче припоя только в места пайки. Ванна с припоем закрыта специаль­ным кондуктором, в котором имеются отверстия, точно соответствующие числу и расположению зон пайки. Подача припоя осуществляется с по­мощью поршня, который выдавливает его через отверстия кондуктора в мес­та пайки. Недостатком метода являет­ся трудность перестройки на другой типоразмер плат.

Пайку погружением в нагретую жид­кость, например жидкий теплоноситель ОЖ-1 на основе лапрола Л2502-ОЖ при температуре 260°С или глицерин при температуре 240°С, используют главным образом для оплавления галь­ванического покрытия олово – свинец на печатных платах с целью улучше­ния их паяемости.

Волновые способы пайки.

Способ пайки волной (wave soldering), впервые предложенный в 1955 г. в Анг­лии,– в настоящее время самый рас­пространенный в промышленности для пайки печатных плат крупносерийно­го и массового производства ЭА. Пре­имущества этого способа заключаются в высокой производительности вследст­вие механизированного движения плат относительно припоя и возможности создания автоматизированных устано­вок, включающих полный комплекс операций: обезжиривание, флюсование, подогрев, пайку, отмывку от флюса и сушку, во взаимодействии платы с чистой поверхностью припоя в корот­кий промежуток времени, что снижает термоудар, коробление диэлектрика, перегрев элементов. Недостатки – большая масса припоя в ванне (100 – 500 кг), повышенные габариты обору­дования, большее окисление припоя.

Технологические основы метода пай­ки волной обусловлены характером взаимодействия потока припоя и платы. Главным условием высокой разрешающей способности пайки волной, позволяющей без перемычек, мостиков и сосулек припоя паять платы с малыми за­зорами между печатными проводниками, является создание тонкого и равномер­ного слоя припоя на проводниках пла­ты, что в свою очередь способствует фор­мированию паяных соединений «скелет­ной» формы. Процесс пайки состоит из трех этапов: вхождения платы в при­пой (точка А на рис. 6.4), контактирования с припоем (отрезок АВ)и вы­хода из припоя (точка В).

Рис.6.4. Схема взаимодействия волн припоя и платы:

а– односторонняя волна; б – двусторонняя волна.

На первом этапе направление фон­танирования волны V_A способствует удалению паров флюса из зоны реак­ции (как при симметричной двусто­ронней, так и при направленной односторонней волне). На втором этапе полоса растекания припоя по плате АВ в сочетании со скоростью конвей­ера У_к определяет время пайки. При двусторонней волне это время боль­ше, что обеспечивает более полное за­полнение припоем металлизирован­ных отверстий. Увеличение времени взаимодействия, однако, повышает толщину припоя на печатных провод­никах до некоторого предела.

Окончательное формирование тол­щины слоя происходит на выходе платы из волны припоя в точке В.При этом в односторонней волне про­дольная составляющая скорости фон­танирования V_B вычитается из скоро­сти конвейера, при этом смываются излишки припоя и утончается остав­шийся слой припоя.

При односторонней волне более благоприятными являются горизон­тальное положение конвейера, поло­гая форма и возможно большая ско­рость циркуляции припоя. Глубина «ныряния» обычно составляет 0,6-0,8 толщины платы, но может достигать 1,5-2,0 толщины с носовым козырь­ком в передней части кассеты. В дву­сторонней волне скорость V_B склады­вается со скоростью конвейера V_К и способствует образованию наплывов. Таким образом, в двусторонней волне необходимо стремиться к повышению угла наклона, увеличению крутизны волны и уменьшению скорости фон­танирования.

Односторонняя волна применялась в установке пайки АП-4, имевшей конвейер, двигавшийся со скоростью до 1,5 м/мин, и блок создания волны. Вследствие ряда недостатков эта уста­новка снята с производства. Двусто­ронняя волна используется в линии пайки ЛПМ-300 и установке TDF фирмы Hollis, имеющих скорость кон­вейера до 2,5 м/мин, пенный флюсователь, подсушку флюса.

В технологии групповой пайки электронных блоков на ПП наряду с односторонней и двусторонней пара­болической волнами применяют вол­ны других профилей (рис.6.5): пло­скую (или широкую), вторичную (или «отраженную»), дельта-, лямбда- и омега-волны.

Рис. 6.5Профили воли для групповой пайки:

а-плоская, б-двойная, в-дельта, г-лямбда

Плоская, или широкая, волна имеет протяженность до 70-90 мм, что уве­личивает площадь контакта между платой и припоем и позволяет повы­шать производительность процесса пайки за счет увеличения скорости движения платы до 3 м/мин (установ­ка ASTRA фирмы Hollis (США)). По­добная конфигурация волны позволя­ет получать качественные паяные со­единения при меньшей температуре припоя, чем при пайке волной пара­болической формы. К недостаткам данной волны относится увеличенная открытая поверхность расплава, спо­собствующая образованию оксидных пленок в припое. Вторичная волна об­разуется за счет наклонного отражате­ля с одной стороны сопла, что обеспечивает удержание определенного коли­чества припоя в виде волны меньшей высоты. Температура во вторичной вол­не меньше, чем в основной. За счет взаимодействия платы и вторичной волны происходит оплавление сосулек припоя и повторная пайка соединений.

Дельта-волна характеризуется сто­ком припоя в одну сторону, для чего одна стенка сопла выполнена удли­ненной, а также большим напором припоя, что обеспечивает более глубо­кую волну, которая применяется для пайки элементов с удлиненными вы­водами, например разъемов с вывода­ми под накрутку. Недостаток – боль­шая зависимость высоты волны от степени нагнетания припоя и труд­ность ее поддержания на постоянном уровне.

Лямбда-волна, предложенная фир­мой Electrovert (Канада), использует насадку сложной формы, имеет перед­ний со стороны платы крутой слив припоя и длинный практически гори­зонтальный профиль волны на выходе платы. На входе платы в волне фор­мируется ускоренный поток припоя, обладающий хорошим смачивающим действием и проникающей способно­стью На выходе устанавливается практически нулевая скорость платы относительно припоя, а постепенное увеличение угла между платой и по­верхностью припоя устраняет образо­вание наплывов и сосулек. Такой про­филь волны позволяет вести качест­венную пайку многослойных плат с плотным монтажом и используется в установке WSV фирмы Electrovert, где высота волны регулируется от 13 до 19 мм при скорости конвейера до 5,4 м/мин.

На базе лямбда-волны фирмой Electrovert создана омега-волна за счет размещения вибрирующего элемента в окне сопла, через которое подается припой. Вибрация элемента создается с помощью электромагнитного вибра­тора, работающего на частоте 60 Гц с амплитудой колебаний 1-3 мм. За счет придания турбулентности волне припоя обеспечивается заполнение металлизированных отверстий в пла­тах на уровне 99 %, количество дефек­тов в виде непропаев сокращается в два раза. Омега-волна используется в установке Century 2000 (фирмы Elec­trovert), имеющей скорость конвейера до 6 м/мин.

Серийно выпускаемые линии ме­ханизированной пайки ЛПМ-300 и ЛПМ-500 уже не удовлетворяют по своим техническим параметрам совре­менным требованиям, поэтому на от­дельных предприятиях они подверглись модернизации. Так, на базе ЛПМ-300 разработана установка УПМ-300, имею­щая:

- плавное регулирование скорости движения транспортера от 0,3 до 3,0 м/мин;

- электромагнитный воздухораспределитель, прекращающий пенообразование флюса при выключении дви­гателя транспортера;

- устройство для автоматической остановки платы над секцией термо-радиационной сушки для лучшего подогрева плат толщиной более 1,5 мм;

- подачу защитной жидкости как на волну припоя, так и на поверхность платы в ванне.

На линии SOLTEX (Голландия) осу­ществляется двухступенчатая пайка по следующей схеме: пенное флюсова­ние – подогрев – пайка протягивани­ем по поверхности припоя со скоро­стью 1,5 м/мин – охлаждение – об­резка выводов фрезой с подзаточкой и пневматическим реверсом – очистка щетками – флюсование – подо­грев – пайка волной припоя. При этом сокращается расход припоя, обеспечивается однородность паяных соединений с заданной высотой выво­дов над поверхностью платы.

В 80-х гг. при массовой пайке вол­ной припоя возникли новые пробле­мы. Дальнейшая микроминиатюриза­ция компонентов привела к увеличе­нию плотности компоновки, размеры проводников на плате уменьшились до 0,25 мм, а зазоры – до 0,125 мм, число выводов на компонент возросло с 2-3 до 68. Появились безвыводные «чиповые» компоненты, монтируемые поверхностью. Традиционные уста­новки уже не обеспечивали выполне­ние основной функциональной цели волновой пайки – оставлять на плате ровно столько припоя, сколько требу­ется для образования надежного элек­трического контакта. Остающийся на плате избыток припоя вызывает обра­зование соединений заливной формы, которые менее надежны, чем соедине­ния видимого контура, и способствует возникновению перемычек и сосулек припоя.

Примером нового подхода к техно­логии массовой пайки волной припоя является концепция «воздушного но­жа», предложенная фирмой Hollis En­gineering (рис. 6.6).

Рис.6.6. Схема «воздушного ножа».

Поток горячего воздуха, направленный на плату 1, уда­ляет с ее поверхности излишки при­поя, перемычки и сосульки. Сопло 2 изготавливается из нержавеющей стали и имеет достаточную массу для удер­жания тепла. Встроенные нагреватели внутри сопла обеспечивают нагрев воздуха до температуры 375-390°С при давления 0,3 МПа. Горячий воз­дух направляется на паяемую сторону платы через 6-8 с после ее выхода из волны под углом 40-42° на расстоя­нии до 20 мм от поверхности платы. Поскольку нагрев воздуха сопровожда­ется значительными затратами электро­энергии, установки оснащают автома­тической системой, включающей по­дачу воздуха при выходе платы из волны. «Воздушный нож» использует­ся в установках GBS Mark 3 и SPS фирмы Hollis, имеющих модули двой­ной волны припоя, предварительный ИК-подогрев плат с двух сторон и максимальную скорость конвейера – до 3,6 м/мин.

Для ограничения количества при­поя на печатных проводниках в техно­логии массовой пайки применяют па­яльные маски в виде сухой фотополи­мерной пленки, наносимой на по­верхность платы вакуумным ламини­рованием и экспонируемой ультра­фиолетовым излучением. Маска типа BAKREL фирмы Du Pont (США) ма­тово-зеленого цвета обладает хорошей адгезией к поверхности платы, устра­няет образование перемычек припоя и защищает печатный монтаж от клима­тических воздействий. Маски выпус­каются толщиной 50, 75 и 100 мкм и обеспечивают требуемую геометрию паяных соединений с фотографиче­ской точностью.

До сих пор технология волновой пайки не требовала высокой квалифи­кации исполнителя, так как многие переменные факторы процесса не контролировались. Сокращение брака и обеспечение высокого процента вы­хода годных сборок (до 90 % и выше) возможно путем компьютеризации процесса волновой пайки. Компьютер позволяет не только улучшать качест­во соединений, но и увеличивать в 10 и более раз скорость контроля. Для реализации компьютерного управле­ния необходимо для каждой электрон­ной сборки сформировать матрицу параметров, таких как тип печатной платы, длина выводов элементов, ско­рость и ширина конвейера, температу­ра подогрева платы, плотность флюса, температура пайки и др. Компьютери­зация позволяет обеспечивать ста­бильность качества паяных соедине­ний в массовом производстве. Микро­процессорными системами управле­ния оснащены установки SPS фирмы Hollis, Gemini 400 FM фирмы Sensbey (Япония), NFS300 фирмы Zevatron (Германия).

Для образования волны припоя в установках пайки используют механи­ческие нагнетатели, давление воздуха или газа, УЗ-колебания и электромаг­нитные нагнетатели. Механический нагнетатель работает по следующему принципу (рис.6.7). В замкнутую полость /, на конце которой устанав­ливают сопло 2, постоянно нагнетает­ся расплавленный припой с помощью крыльчатки, расположенной на валу 5, связанном клиноременной переда­чей с электродвигателем. Плата 4 вхо­дит в волну припоя под углом а. Вы­сота гребня волны 3 регулируется из­менением числа оборотов электродви­гателя постоянного тока путем изме­нения напряжения питания с помо­щью регулируемого автотрансформа­тора. Такая конструкция наиболее проста, однако недостатком ее являет­ся наличие в расплаве припоя вра­щающихся деталей. Это требует до­полнительных блокировок от включе­ния двигателя при нерасплавленном припое.

Рис. 6.7 Схема механического нагнетателя

Еще проще использовать для созда­ния волны припоя давление воздуха или газа, подаваемого в замкнутую полость. Однако на практике приме­нение воздуха приводит к окислению припоя, а использование инертного газа экономически нецелесообразно.

Для создания небольшой по разме­ру волны припоя могут использовать­ся УЗ-колебания, вводимые в припой с помощью специального излучателя. Однако конструктивно сложно «развя­зать» излучатель с ванной припоя, волна имеет очень небольшие разме­ры и затруднена пайка плат с обыч­ными размерами. Поэтому более рационально вводить УЗ-колебания в волну припоя, создаваемую механиче­скими нагнетателями.