Автоматизированный процесс пайки

Одним из методов получения электрических (низкоомных) контактов при монтаже ЭВС является пайка.

Пайка – процесс неразъемного соединения материалов в твердом состоянии путем введения расплавленного припоя в зазор между ними (в месте пайки) при температуре ниже температуры плавления соединяемых материалов и последующего затвердевания расплава. Паянное соединение образуется в результате физико-химического взаимодействия на границе соединяемых материалов и припоя. Качество соединения в этом случае во многом определяется процессами при пайке: оплавлением припоя, смачиванием, растеканием, растворением, диффузией и кристал-лизацией.

Температура плавления в месте пайки должна быть выше температуры на последующих технологических операциях и температуры эксплуатации изделия после его изготовления. Для обеспечения прочного соединения после пайки соединяемые материалы выбирают с близкими по значению температурными коэффициентами линейного расширения (ТКЛР) либо используют высокопластичные припои, которые ослабляют возникающие в паянных соединениях механические напряжения. Типично при монтаже ЭВС и их конструктивов применение оловянно-свинцовых (мягких) припоев типа ПОС-61 (61% Sn и 39% Pb). Диаграмма состояния на рис. 3.1 показывает возможные фазы ряда сплавов Sn-Pb. При эвтектической температуре, соответствующей 183 ºC, образуется эвтектика, т.е. из сплава

Рис. 3.1. Диаграмма состояния Sn-Pb(штриховкой показан диапазон приемлемых температур для припоя в ванне).

выделяются одновременно α- и β-растворы, минуя область двух фаз (см. рис. 3.1), вследствие чего эвтектическая структура является наиболее однородной со стабильными во времени электрофизическими и прочностными характеристиками.

Другие виды сплавов имеют худшие характеристики из-за процесса расслоения структуры в твердом состоянии, который идет во времени даже при комнатной температуре, что приводит к разупрочнению паянных соединений, изменению их электропроводности и ухудшению прочих характеристик. Поэтому важно при пайке поддерживать постоянными как состав компонентов припоя, так и температуру процесса пайки. В противном случае качество и стабильность паянных соединений гарантировать невозможно.

Таким образом, достижение высокого качества и надежности паянных соединений возможно только в условиях реализации автоматизированного процесса монтажа электронных устройств (ЭУ), обеспечивающего прецизионный контроль и управление параметров технологической среды, а также объекта монтажа в процессе пайки.

С учетом состояния производств ЭУ в настоящее время, уровни автоматизации процесса пайки (характеризуемые количеством паянных соединений, получаемых одновременно в единицу времени, при этом за единицу времени следует принимать время, необходимое для осуществления одной пайки) можно классифицировать как низкий, средний и высокий (рис. 3.2). Наиболее целесообразными с точки зрения повышения производительности процесса пайки и качества высокоплотного монтажа (особенно для поверхностно-монтируемых компонентов), являются групповые способы пайки (рис. 3.3), обеспечивающие высококачественный монтаж поверхностно-монтируемых компонентов (см. рис. 3.3, 1, 3, 4) и смешанного набора компонентов при разнесенном варианте их сборки (т.е. традиционно монтируемые компоненты устанавливаются с одной стороны платы, а поверхностно-монтируемые (простейшей конструкции ) – с другой

стороны (см. рис. 3.3, 2).

Рис. 3.2 Уровни автоматизации процесса пайки при монтаже функциональных ячеек ЭВС; ТИ – термоинструмент, ГТИ – групповой термоинструмент, ТС – технологическая среда.

Применение специальных приспособлений, например, для пайки выводов навесных компонентов на контактные площадки коммутационной платы (см. рис. 3.4 и рис. 3.3, 1.1, а-в), малоперспективно, поскольку производительность таких приспособлений ограничена их конструкцией (для каждой конфигурации и типоразмеров выводов навесного компонента требуется своя оснастка). Кроме того, с повышением плотности монтажа использование инструмента для пайки становится невозможным.

Рис. 3.4. Инструмент для установки и групповой пайки навесного компонента на контактных площадках платы; a – положение компонента после захвата инструментом; б – установка его на плату и групповая пайка оплавлением дозированного припоя; 1 – коммутационная плата; 2 – навесной компонент; 3 – цанговый инструмент с нагревателем; 4 – выталкиватель монтируемого компонента.

Пайка волной припоя более перспективна как способ микроконтактирования, позволяющий довольно просто автоматизировать групповое формирование паянных соединений независимо от конструктивных разновидностей навесных компонентов и способов их установки на плату (в отверстия платы или на ее поверхность), за исключением сложных конструкций многовыводных корпусов с шагом выводов менее 1,25 мм и 4-х сторонней разводкой выводов, паяемых на поверхности плат. Лучшее качество паянных соединений при уплотненном монтаже (с уменьшением расстояний между контактными площадками платы от 1,25 до 0,5 мм) обеспечивает пайка двойной волной припоя, как усовершенствованная разновидность пайки одной волной припоя (рис. 3.5; рис. 3.3, 2.2, в, г).

На рис. 3.5 схематически представлен принцип реализации пайки двойной волной припоя. Первая (основная) волна, скоростная и турбулентная, обеспечивает полную смачиваемость и оплавление всех контактных точек на плате, а вторая (финишная) – с меньшей скоростью истечения и ламинарная удаляет излишки припоя для предотвращения наплывов и затеканий припоя по полю платы. Вторая волна ниже первой по высоте и не смачивает контактные площадки платы.

Основными параметрами, определяющими режим и качество пайки, в этом случае являются: температура, масса и состав припоя в ванне; ширина полосы соприкосновения платы с припоем; скорость конвейера, несущего плату и его угол наклона; направленность основной волны припоя, ее форма, размеры и скорость истечения; степень турбулентности потока припоя основной, а также характеристики второй волны припоя.

Автоматизированная линия пайки двойной волной припоя включает следующие модули: флюсования, подсушки флюса, предварительного подогрева плат, пайки двойной волной, а также систему управления и транспортную систему.

Модуль пайки включает систему подачи припоя, сопла для формирования волн нужной формы, ванну с припоем, систему подачи защитной жидкости на поверхность волны (для замедления процессов окисления расплавленного припоя и более эффективного смачивания припоем мест пайки), систему контроля (и управления) параметров волн припоя и режимов пайки.

При повышенной плотности монтажа (когда проводники на плате выполнены с шагом от 1,25 до 0,6 мм) возрастает вероятность возникновения перемычек между проводниками при пайке (так называемое шунтирование

б)

а)

Рис. 3.5. Схематическое изображение пайки двойной волной припоя (а) и ее температурно–временной режим (б); ТМК – традиционно-монтируемые компоненты (т.е. в отверстиях платы); ПМК – поверхностно-монтируемые компоненты (т.е. на поверхности платы).

элементов платы). Для предотвращения этого модуль пайки оборудуется специальным дешунтирующим ножом (см. рис. 3.5), направляющим струю горячего воздуха (или нейтрального газа) в место пайки сразу же по окончании процесса пайки, когда припой на плате находится еще в расплавленном состоянии.

Угол выхода плат из зоны пайки зависит от ширины и формы основной волны и составляет обычно от 7 до 20° относительно поверхности припоя в ванне в отсутствии волн. Оптимальные условия для пайки, как показывает практика, создаются при движении платы навстречу волне припоя и выдерживании требуемого угла наклона платы. Основные рекомендации для выбора характеристик технологической среды и режимов процесса пайки приведены в табл. 3.1.

Таблица 3.1.

Основные рекомендации для выбора характеристик технологической среды и режимов процесса пайки двойной волной припоя

№ п/п	Характеристика технологической среды и режима пайки	Рекомендации по выбору
	Тип припоя	Мягкий, ПОС-61
	Плотность припоя γ	8,5 г/см3
	Интервал температур для выбора рабочей температуры припоя в ванне	240 – 270 0С
	Допустимое отклонение от рабочей температуры припоя в ванне	±2 ºС
	Длительность пайки t	5 – 7 с
	Высота основной волны припоя над уровнем его основной массы в ванне	8 – 13 мм
	Максимальная длина волны (основной) припоя	250 мм
	Максимальная ширина волны (основной) припоя	Она равна ширине коммутационной платы
	Ширина полосы соприкосновения волны с платой d	15 – 40 мм
	Длина полосы соприкосновения волны с платой	Она равна ширине коммутационной платы
	Допустимое отклонение α массы припоя в процессе пайки от исходной массы	5%

Для реализации чисто поверхностного монтажа с наибольшей плотностью размещения поверхностно-монтируемых компонентов (без ограничений по сложности их конструкций) с двух сторон платы, наиболее перспективны способы симультанной пайки в разных технологических средах без применения групповых термоинструментов (см. рис. 3.3: 3.2, а, б; 4.2, а).