Автоматизированная система контроля и управления параметрами технологической среды при пайке

Основной технологической средой при пайке волнами припоя является ванна с расплавленным припоем. Система управления модулем пайки включает: пускатели, вариаторы скорости конвейера и подачи волн припоя, регуляторы температуры, датчики уровня припоя и т.д. – в зависимости от модели линии пайки. Целесообразно рассмотреть средства автоматизированного контроля и управления такими параметрами процесса пайки, как температура припоя в ванне, масса припоя и его состав, поскольку во время пайки происходит убыль припоя вследствие его ухода с коммутационной платой, а также в виде паров и продуктов окисления компонентов припоя, что способствует изменению параметров припоя при пайке и приводит к снижению качества паянных соединений. Для разработки и организации стабильного и воспроизводимого процесса пайки необходимо поддерживать температуру, состав и массу припоя постоянными в течение всего времени работы линии пайки. Это достигается применением автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУТП), объединяющей в своем составе совокупность вычислительных и управляющих устройств, устройств передачи данных приборов, датчиков и исполнительных устройств, а также программное обеспечение. В комплекс технических средств АСУТП входят: устройства получения информации о режиме технологического процесса от датчиков сигналов физических величин; устройства ввода и формирования сигналов; устройства локальной автоматики (усилители-преобразователи командных сигналов, исполнительные устройства и др.); ЭВС (устройства переработки информации и др.); устройства связи с объектом и персоналом, различные индикаторы, регистраторы и т.д.

Приборы и преобразователи для измерения температуры. В АСУТП измерение температуры может осуществляться контактными либо бесконтактными методами. Контактные методы реализуются в термометрах расширения (жидкостных и твёрдотельных), манометрических, термоэлектрических, электрического сопротивления; а бесконтактные – в пирометрах яркостных, радиационных и фотоэлектрических. Бесконтактные методы обычно применяют для измерения температур выше 400°С.

Измерение и регулирование уровня контролируемых сред (как показателя, например, ухода припоя) осуществляется с помощью уровнемеров поплавковых, буйковых, емкостных, радиоизотопных, ультразвуковых, высокочастотных, электромагнитных, индуктивных, комплексно-кондуктометрических и др.

Для определения состава компонентов припоя в жидком или твердом состоянии используют различные анализаторы. В анализаторах состава и содержания компонентов материалов реализуются электрохимические, потенциометрические, масс-спектрометрические и другие методы.

Электрические датчики и регуляторы температуры, давления, уровня и т. д., выполняющие функции автоматического контроля, регулирования, управления и сигнализации в технологических процессах, также применяют в составе АСУТП.

Все шире для автоматизированного производства используются в составе АСУТП агрегатные комплексы технических средств локальных систем автоматического контроля и регулирования технологических параметров.

Агрегатные комплексы технических средств представляют собой совокупность устройств (блоков), связанных между собой по функциональному назначению, конструктивному исполнению (как правило, блочно–модульному), электрофизическим параметрам и другим техническим данным. Например, агрегатный комплекс средств электроизмерительной техники (АСЭТ) осуществляет автоматизированный сбор, преобразование, измерение и представление информации АСУТП производства. Комплекс средств аналитической техники (АСАТ) позволяет выполнять измерения химических и физических параметров и состава веществ в системах автоматизированного контроля и управления технологическими процессами. Существуют агрегатные комплексы средств измерения и дозирования масс веществ, комплексы исполнительных механизмов и др.

Таким образом, АСУТП пайки при наличии требуемого программного обеспечения поддерживает постоянными температуру, состав и массу припоя в ванне во время работы линии пайки, осуществляя при этом преобразование, анализ, а также идентификацию информации, получаемой от первичных контрольных приборов, например датчиков, и в случае необходимости подает команду исполнительному устройству для корректировки состава и свойств технологической среды.

Расчетный метод определения времени между корректировками
состава припоя в ванне и массы корректирующих компонентов

На этапе проектирования технологического процесса автоматизированной пайки двойной волной припоя (ДВП), широко применяемой для производства ЭВС, операции по корректированию массы и состава припоя (основной технологической среды для пайки) в ванне разрабатываются на основании предварительных расчетов.

Количество (массу) припоя требуется восстанавливать в связи с убылью припоя из ванны в процессе пайки.

Убыль припоя из ванны вместе с уходом коммутационной платы (после образования паянных соединений) зависит в основном от площади контактных соединений (выводы навесных компонентов – контактные площадки) на плате, толщины наносимого в местах контактирования слоя припоя, числа контактных площадок на плате, а также производительности установки для пайки. Чем больше масса припоя в ванне, тем меньше тепловое возмущение ("тепловые удары") в системе плата – ванна с припоем при соприкосновении платы с волной (волнами) припоя, тем стабильнее технологический процесс и выше качество пайки. Экспериментальным путем установлено, что теплообмен в системе плата-волна (волны) припоя практически не влияет на характеристики волны (волн) припоя и стабильность режима пайки, если масса припоя в ванне не менее чем в 20 раз (а для пайки двойной волной в 30 раз) превышает массу платы или плат, одновременно входящих в контакт с волной (волнами) припоя. Обычно при обосновании выбранного количества припоя в ванне учитывают не только процессы теплопередачи, но и возможность забора припоя соплом без нарушения стабильности характеристик волн (скорости истечения, давления, формы и т. д.), а также возможность прецизионного управления волной (волнами), оптимальный расход припоя и энергопотребление. В предварительных расчетах принимают некоторые допущения, например, ширина полосы соприкосновения волны (волн) с платой (на ее (или их) гребне) соответствует длине платы (т. е. контакт волна-плата осуществляется одновременно для всех контактных точек на одной стороне платы).

Если масса платы

(1)

где V_п – объем основания платы (V_п=a× b× c; здесь a, b и c – соответственно длина, ширина и толщина платы); – плотность материала основания платы; m_k – удельная масса коммутации (норма коммутации на единицу объема платы) для одной платы; то минимальная масса припоя в ванне при пайке ДВП определится как

(2)

С учетом допустимого отклонения массы припоя α в процессе пайки (см. табл. 3.1) наибольшая допустимая убыль массы припоя в ванне составит

(3)

Убыль массы припоя в ванне включает убыль массы припоя из–за переноса его на контактные площадки платы (m₁) и убыль массы припоя в виде паров и продуктов окисления (m₂) ,т.е.

.

Целесообразность технологического процесса автоматизированной пайки ДВП основана на малом долевом расходе припоя через испарение и окисление. Практически установлено, что

(4)

причем в зависимости от конкретных условий ведения процесса (отношения открытой поверхности расплава припоя к его объему, интенсивности перемешивания, отвода шлаков, загрязненности маслами и т.д.) коэффициент δ принимает различные значения, в среднем δ=0,026.

Убыль массы припоя m₁ ,из–за переноса его на контактные площадки платы, происходит без изменения состава расплава припоя в ванне и определяется для припоя ПOC-61 как

(5)

где А₁ – площадь платы (А₁=ab); n – число контактных площадок на единицу поверхности платы; m_kп – масса припоя на контактной площадке (m_kп = (A₂h) , здесь h – толщина припоя, обычно h »10 мкм; – плотность припоя, см. табл. 4.1; A₂=а'· b', где а', b' – размеры контактной площадки); 0,39m₁ – убыль массы свинца (m_Pb); 0,61m₁ - убыль массы олова (m_Sn).

Убыль припоя в виде паров и продуктов окисления связана с изменением состава расплава припоя в ванне и может быть оценена из анализа термодинамики процессов испарения и взаимодействия свинца и олова с кислородом. Такой анализ показывает, что давление насыщенных паров свинца над его расплавом составляет 1,77 мм рт. ст. и олова над его расплавом – 0,0456 мм рт. ст. (при температуре расплавления припоя в ванне). Этому соответствует тот факт, что свинец испаряется существенно быстрее, чем олово. Однако различие скоростей испарения должно быть несколько уменьшено, так как в расплаве свинца содержится примерно в 2 раза меньше, чем олова. Из-за отсутствия сведений об экспериментальных определениях скоростей испарения, следует ограничиться их качественной оценкой. Аналогичные обстоятельства вынуждают ограничиться качественной оценкой скоростей окисления свинца и олова в их расплаве, активно протекающих в связи с непрерывным перемешиванием расплава припоя на границе с воздушной атмосферой (при наличии защитной жидкости эти процессы имеют место в потоке волны).

Анализ термодинамики взаимодействия свинца и олова с кислородом показывает, что химическое сродство (изменение свободной энергии) к кислороду у олова больше, чем у свинца, вследствие чего можно предполагать восстановление окисленного свинца, т. е. при контакте расплава припоя с воздушной атмосферой должны протекать химические реакции

2Pb+O₂=2PbO

В результате расплав припоя со временем обедняется оловом, и эвтектический состав смещается влево на диаграмме (см. рис. 3.1), изменяя температуру начала кристаллизации и свойства припоя. Таким образом, оба явления: испарение и окисление, приводящие к изменению состава расплава припоя, в общем, приводят к преимущественному уносу олова из расплава в сравнении с уносом свинца. Качественные опытные оценки свидетельствуют о том, что олова убывает из расплава в 4 раза больше, чем свинца. Следовательно, убыль массы припоя m₂ в виде парови продуктов окисленияможно представить как

(6)

где – доли уноса свинца и олова из расплава соответственно, причем

откуда = 0,20 и = 0,80, что позволяет записать

(7)

где = 0,20m₂ и =0.80m₂.

Таким образом, для поддержания постоянства состава и свойств технологической среды при автоматизированной пайке ДВП необходимо вводить в припойную ванну массу свинца

(8)

и массу олова

(9)

Временные интервалы между корректировками расплава припоя в ванне определяются как

(10)

где N – производительность процесса пайки (количество ячеек, обрабатываемых в час).

Время, затрачиваемое на пайку одной ячейки:

(11)

где b/d – количество касаний волной платы до полного прохода волной вдоль всей платы ячейки (значения d и t см. в табл. 3.1), значение t подставлять в формулу (11) в секундах, тогда

(12)

После предварительных расчетов полученное значение производительности установки пайки согласовывают с приемлемой для выполнения данного процесса скоростью движения конвейера (см. табл. 3.1), учитывая возможность перемешивания припоя в ванне после корректировки его состава, т. е. реальное значение производительности будет несколько меньшим (приблизительно на 20 – 30 %).

Если в соответствии с формулой (10) временной интервал между корректировками расплава припоя в ванне будет меньше, чем 0,5 ч, то увеличивают массу припоя M в ванне и пересчитывают уход припоя и время между корректировками припойной ванны.

В предварительных расчетах не учитывается возможность добавки в ванну с припоем материала коммутации платы, например меди (в количестве не более 2 %), для сведения к минимуму эффекта растворения металла с платы в припое, что важно для сохранения однородности состава паянного соединения (так как после пайки медь образует дендридные кристаллы, препятствуя ликвации (неоднородности) компонентов припоя).

Исходные данные и варианты задания

В табл. 3.2 приведены исходные данные для трех разновидностей материалов основания коммутационных плат (керамики, полиимида, стеклотекстолита, их плотность составляет 3,9; 1,42 и 1,8 г/см³ соответственно) и различной плотности монтажа. Допускается смешанно - разнесенный монтаж навесных компонентов (т. е. устанавливаемых в отверстия с одной стороны и на поверхность (для простейших поверхностно-монтируемых компонентов) с другой стороны одной и той же платы).

Задание к практическому занятию № 3

1. Определить корректирующую массу припоя с учетом ее состава для заданного изделия с использованием соотношений (1) – (9).

2. Определить временной интервал между корректировками припойной ванны, пользуясь формулами (10) – (12), и заполнить форму табл. 3.3.

3. Разработать алгоритм реализации автоматизированного контроля и управления для технологической среды при пайке двойной волной припоя. Контролируемые параметры: температура расплава припоя в ванне, его масса и состав.

4. Составить перечень средств для реализации автоматизированного контроля и управления параметрами технологической среды с указанием их функционального назначения.

5. Написать выводы по результатам работы с указанием качества и перспективности выполненной разработки.

Порядок выполнения задания

1. Изучить теоретические сведения и методику расчёта в рамках задания.

2. Определить массу коммутационной платы M₁ и минимальную массу припоя М в ванне, пользуясь соотношениями (1) и (2).

3. Определить наибольшую допустимую убыль массы припоя в ванне из соотношения (3), используя данные табл. 3.1.

4. Определить убыль массы припоя m₁ из–за переноса его на контактные площадки платы из соотношения (5).

5. Определить убыль массы припоя m₂ из-за испарения и окисления по формуле (4) и сведениям табл. 3.1.

6. Определить массу корректирующих компонентов припоя из соотношений (8) и (9).

7. Определить временной интервал между корректировками расплава припоя в ванне, пользуясь соотношениями (10), (11) и (12), а также данными табл. 3.1. Оформить табл. 3.3 (см. форму табл. 3.3).

8. При < 0,5 ч следует увеличить массу припоя в ванне и выполнить расчет повторно.

9. Изучить теоретические сведения в объеме выполняемого задания (по автоматизации контроля и управления параметрами технологической среды при пайке).

10. Изучив теоретический материал, ответить на вопросы тестирования, представленные в электронном модуле (приложение №1 на CD).

11. Успешно ответив на вопросы тестирования проверить правильность проведенных расчётов согласно своему варианту, используя электронный модуль.

12. Используя электронный модуль ответить на вопросы, предлагаемые в качестве защиты работы. Полученную итоговую оценку показать преподавателю.

13. Выбрать разновидности первичных преобразователей (датчиков) для указанных в задании параметров, отметив принципы, положенные в основу функционирования датчиков.

14. Выбрать необходимые средства реализации АСУТП, включая исполнительные механизмы, и указать их функциональное назначение.

15. Изобразить схематически, с учетом информационных, управляющих и вспомогательных функций, принцип реализации (т. е. упрощенный алгоритм) АСУТП с использованием заданных параметров технологической среды.

16. В выводах отразить полученный результат и личное мнение исполнителя задания о возможности усовершенствования расчетной методики, а также слабые стороны и перспективность реализации выбранного принципа функционирования АСУТП, а кроме того, возможные пути его совершенствования.
Пример выполнения задания

Решение 1-го варианта задания практического занятия 3 (см. вариант 1 табл. 3.2 описания практического занятия № 3) может быть проведено в последовательности, которую покажем на примере.

1) Определяем массу коммутационной платы, пользуясь формулой (1) и данными табл. 3.1:

= =(6∙4,8∙0,06)∙(3,90∙3,0)=11,92г.

Таблица 3.2

Исходные данные и варианты задания

Вариант	Размеры диэлектрического основания коммутационной платы a х b х c, мм х мм х мм	Плотность материала основания платы γп, г/см3	Удельная масса коммутации для одной платы mk, г/см3	Число контактных площадок на единицу поверхности платы n, см-2	Размер монтажной площадки, a΄х b΄, мм х мм
	60 x 48 x 0,60	3,90	3,0		1,5 x 1,5
	78 x 95 x 0,64	1,42	3,0		1,0 x 1,0
	78 x 95 x 0,52	1,42	3,0		0,8 x 0,8
	100 x 95 x 0,60	1,80	2,5		2,8 x 2,8
	140 x 150 x 0,80	1,80	2,5		3,3 x 3,3
	78 x 95 x 0,68	3,90	2,8		2,0 x 2,0
	150 x 95 x 0,32	1,42	3,0		1,7 x 1,7
	150 x 95 x 0,60	1,80	2,5		3,5 x 3,5
	150 x 200 x 1,00	1,80	2,8		3,2 x 3,2
	100 x 120 x 0,80	1,80	2,5		2,9 x 2,9
	150 x 250 x 1,00	1,80	2,5		3,7 x 3,7
	100 x 95 x 0,50	1,42	3,0		1,5 x 1,5
	160 x 220 x 1,00	1,80	2,5		3,7 x 3,7
	160 x 280 x 1,00	1,80	2,5		3,6 x 3,6
	200 x 250 x 1,00	1,80	2,5		3,8 x 3,8

Форма табл. 3.3

Результаты выполнения задания для варианта …

Параметры	, г	, г		, г	, г	, г	, г	, ч	N, ч-1	, ч

Примечание. В ходе расчетов использовалось среднее значение длительности пайки (t = 6 с) и ширины полосы соприкосновения волны с платой ячейки (d = 25 мм).

2) Найдем минимальную массу припоя в ванне по формуле (2):

M =30∙ =30∙11,9232=357,70 г.

3) Определяем наибольшую допустимую убыль массы припоя в ванне, используя данные табл. 3.1:

=0,05∙357,696=17,885 г.

4) Находим убыль припоя из-за переноса его на контактные площадки плат по формуле (5) и данным табл. 3.1:

=(6,0∙4,8)∙10∙(0,15∙0,15∙0,001)∙8,5=0,055 г.

5) Определяем убыль припоя из-за испарения и окисления по формуле (4):

= =0,0014 г.

6) Находим массу корректирующих компонентов припоя по формулам (8) и (9):

М_Pb=0,39∙m₁+0,20∙m₂==0,39∙0,0508+0,20∙0,001412=0,022 г;

М_Sn=0,61∙m₁+0,80∙m₂=0,61∙0,05508+0,80∙0,001412=0,035 г.

7) Определяем время, затрачиваемое на пайку одной ячейки электронного устройства (ЭУ) по формуле (11):

= =0,0032 ч;

при этом производительность технологического оборудования, определяемая по формуле (12) составит:

= =312,3 ч^-1.

8) Находим временной интервал между корректировками расплава припоя в ванне по формуле (10):

= =1,014 ч.

Результаты выполнения задания для варианта 1 представляем в виде табл. 3.3 (по форме табл. 3.3).

Ответ к заданию по п. п. 3 и 4 (см. описание практического занятия № 3) может быть представлен в виде одной из схем (из трех вариантов примеров схем АСУ) (рис. 3.6…3.8), либо аналогичной по смыслу схемы, но представляемую в альтернативном изображении, причем обязательными узлами автоматизированного контроля и управления технологической средой должны быть:

Д_сост. – датчик состава;

Дм – датчик массы;

Дт – датчик температуры;

АЦП – аналого-цифровой преобразователь;

ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь;

(вместо АЦП и ЦАП можно использовать УСО – устройство совместной обработки цифровых и аналоговых сигналов)

ИУ – исполнительное устройство;

УОИ – устройство отображения информации;

ЭВМ – электронная вычислительная машина.

На схемах рис. 3.6…3.8 эти обозначения введены.

Таким образом, выбираемые средства АСУ, как и схема ее реализации (например, схемы (или алгоритмы) рис. 3.6…3.8), могут быть разной сложности.

Выводы.

1. Если 0,5 ч, а в данном случае =1,014 ч, следовательно массу припоя в ванне увеличивать не нужно (если бы в результате расчета было получено значение, меньшее 0,5 ч, то массу в ванне пришлось бы пересчитывать).

Таблица 3.3

Результаты выполнения задания для варианта 1

Параметры	, г	, г		, г	, г	, г	, г	, ч	N, ч-1	, ч
11,92	357,70	17,885	0,055	0,0014	0,022	0,035	0,0032	312,3	1,014

Примечание. В ходе расчетов использовалось среднее значение длительности пайки (t = 6 с) и ширины полосы соприкосновения волны с платой ячейки (d = 25 мм).

Рис. 3.6. Пример простейшей схемы реализации АСУ технологической средой (ТС) при пайке двойной волной припоя (ДВП).

Рис. 3.7. Пример схемы реализации АСУ средней сложности для контроля и управления параметрами ТС при пайке ДВП.

Рис. 3.8. Пример схемы реализации АСУ с применением универсальных средств контроля и управления параметрами ТС при пайке ДВП.

2. Пайка ДВП имеет ограничения по типу конструкций компонентов (например, она пригодна только для самых простых поверхностно-монтируемых компонентов, поэтому для повышения функциональных возможностей процесса пайки в производстве ячеек ЭУ с высокоплотным монтажом, рекомендуется использовать 2 модуля пайки: ДВП и оплавлением дозированного припоя с согласующим интерфейсом и универсальными средствами АСУ, обслуживающей оба модуля.

3. Практически важным является поиск новых, более технико-экономически целесообразных и компактных средств контроля параметров ТС.

4. Все параметры, которые требовалось определить, найдены, и задание можно считать выполненным.

Контрольные вопросы

1. Охарактеризуйте основные физико-химические процессы, которые происходят при пайке. Какова их связь с качеством паянных соединений?

2. В чем состоит специфика автоматизированных процессов пайки?

3. Каково назначение монтажа в производстве ЭВС? Почему выбирают пайку в качестве метода микроконтактирования?

4. В чем состоит отличие групповых способов пайки с применением специальных инструментов и без них с точки зрения перспективности их использования?

5. Каковы отличия способа пайки волной припоя от пайки двойной волной припоя? Каким образом это сказывается на качестве паянных соединений?

6. Что такое технологическая среда и с какой целью стабилизируют ее параметры?

7. Назовите причины убыли припоя из ванны в процессе пайки волной припоя.

8. С чем связано изменение состава расплава припоя в припойной ванне?

9. С какой целью используются защитные жидкости в припойной ванне?

10. Каково назначение второй финишной волны припоя?

11. Можно ли использовать в качестве припоя только одно олово? И почему стараются при пайке использовать эвтектические сплавы?

12. Какой принцип лежит в основе построения АСУТП и каковы могут быть ее основные функции?

13. Назовите средства реализации автоматизированного контроля.

14. Назовите основные средства реализации контроля и управления параметрами технологических сред.

15. Что собой представляют агрегатные комплексы технических средств локальных систем автоматического контроля и регулирования технологических процессов?

16. Каковы особенности функционирования первичных преобразователей в АСУТП?

17. Какие разновидности датчиков используют для контроля температуры? Какие принципы заложены в основу их функционирования?

18. Назовите первичные преобразователи, которые можно использовать для контроля массы припоя в ванне.

19. Какие принципы функционирования реализуются в анализаторах?

20. С какой целью в расплав припоя вводят небольшое количество материала металлизации коммутационной платы?

Рекомендуемая литература

1. Технология ЭВА, оборудование и автоматизация. /В.Г.Алексеев, В.Н.Гриднев, Ю.И.Нестеров и др.- М.: Высш. шк., 1984. - С.136-150.

2. Технология и автоматизация производства радиоэлектронной аппаратуры. /Под ред. А.П. Достанко, Ш.М. Чабдарова.- М.: Радио и связь, 1989. -С. 175-200.

3. Заводян А. В., Волков В. А. Производство перспективных ЭВС. Ч.2. - М.: МИЭТ, 1999. -С. 182-232.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4