Пайка в инфракрасной печи

1. Получить  чистые металлические поверхности  у соединяемых деталей (удалить  загрязнения и пленки окислов) с помощью технологического флюса;

2. Нагреть  припой выше точки плавления;

3. Обеспечить  вытеснение флюса с помощью  наступающего припоя;

4. Обеспечить  растекание жидкого припоя по  металлической поверхности;

5. Обеспечить  диффузию атомов из твердой  металлической фазы в жидкий  припой и наоборот – образование сплавных зон.

Среди припоев  в радиоэлектронике наиболее широкое  распространение получили припои на основе композиции олова и свинца (ПОС). Сплав имеет особую точку, называемую точкой эвтектики. В этой точке температура кристаллизации припоя составляет 183 °С, что значительно ниже точек плавления Sn и Pb (232 °С и 327 °С).

Флюс  является материалом, под воздействием которого происходит быстрое и совершенное смачивание металлической поверхности соединяемых деталей расплавленным припоем благодаря влиянию сил поверхностного натяжения. Кроме того, флюс обладает свойством растворения и удаления окисных слоев на контактируемых металлах и защиты очищенной поверхности от нового окисления. Остатки флюса должны легко удаляться, быть не изменять электрические параметры исходного материала и не вызывать коррозии. Распространены флюсы на основе органических кислот из смол хвойных пород деревьев (канифоль). Известно и большое количество синтетических материалов.

Смачивание, как решающий фактор процесса пайки, может улучшаться посредством поверхностно-активных веществ флюсов. Качество смачивания можно определить по краевому углу смачивания (рис.6). Уменьшение поверхностного натяжения припоя в расплавленном состоянии приводит к уменьшению угла смачивания. Именно в процессе смачивания создаются условия (наряду с высокой температурой) для создания диффузионных сплавных зон на границах раздела припоя и соединяемых металлов, которые определяют прочностные характеристики паяного соединения. Зачастую прочность диффузионных сплавных зон превышает прочность соединяемых металлов.

В последнее  время набирает силу движение за исключение свинца как токсичного металла из электронных сборок. В поисках сплавов на замену традиционной композиции SnPb исследовано большое количество материалов, однако абсолютно равноценной замены пока не найдено. ПОС обладает практически оптимальными свойствами для РЭА: хорошей смачиваемостью, прочностью, пластичностью, удобной точкой плавления, коррозионной стойкостью, усталостной прочностью, и, наконец, стоимостью.

Появление на ПП поверхностно монтируемых компонентов  существенно изменило технологию пайки. Пайка волной припоя была внедрена в середине прошлого века и до настоящего времени является единственным групповым методом пайки компонентов, устанавливаемых в отверстия ПП. Она выполняется чаще всего погружением обратной стороны платы с выступающими выводами в ванну с припоем. Для пайки плат со смешанным монтажом (компоненты, монтируемые в отверстия с одной стороны платы и простые, монтируемые на поверхность с другой) был разработан метод пайки двойной волной припоя.

Для пайки  поверхностно монтируемых компонентов  была разработана технология оплавления дозированного припоя. Методами трафаретной  печати припой в виде пасты наносится на контактные площадки ПП, затем на него устанавливаются компоненты. В ряде случаев припойную пасту просушивают после нанесения с целью удаления из ее состава летучих ингредиентов или предотвращения смещения компонентов непосредственно перед пайкой. Оплавление припоя и получение паяных соединений происходит в нагревательном устройстве. В 1973 г. появилась пайка в парогазовой фазе (ПГФ), когда фирма DuPont разработала и запатентовала специальные жидкие материалы, имеющие температуру кипения 215 °С. С 1983 г. основным конкурентом пайки в ПГФ стала пайка расплавлением дозированного припоя с помощью инфракрасного нагрева (ИК-пайка). Примерно с этого же времени развивается пайка в конвекционных печах. В Японии пайка компонентов, устанавливаемых на поверхность недорогих плат с низкой плотностью монтажа, производится с применением нагретого инструмента. Для чувствительных к тепловому воздействию и сложных микросборок с поверхностным монтажом ведущими японскими компаниями была разработана лазерная пайка. Ведущие поставщики сборочно-монтажного оборудования обычно включают установки для пайки в состав выпускаемых производственных линий. В технологии поверхностного монтажа компонентов для пайки компонентов на печатной плате применяются следующие методы пайки:

- пайка двойной волной припоя;

- пайка расплавлением дозированного  припоя в парогазовой фазе;

- инфракрасная пайка; 

- лазерная пайка;

- другие методы пайки. 

3. Пайка расплавлением дозированного припоя с инфракрасным (ИК) нагревом.

 

Процесс пайки компонентов, собранных на коммутационной плате, с помощью ИК -нагрева аналогичен пайке в ПГФ, за исключением того, что нагрев платы с компонентами производится не парами жидкости, а ИК -излучением.

В течение  последнего десятилетия в промышленности велись работы по использованию ИК -излучения для оплавления пастообразных припоев, однако получаемые при этом результаты носили противоречивый характер. Основными проблемами, стоявшими перед разработчиками, были:

-неравномерность нагрева сборок, появление в них горячих точек;

-плохая воспроизводимость результатов вследствие рассогласования спектра излучения источника и спектра поглощения подложки, проводников, элементов;

-сложность отвода легко испаряющихся веществ (флюса, органических составляющих пай и др.), которые оседали на нагревателях и ухудшали их работу;

-необходимо подбирать режимы пайки для каждого типа плат в зависимости от их геометрии, массы и т. п.

Широкое внедрение ТМП активизировало работу в области установок ИК оплавления, которые в настоящее время  доведены до высокого уровня совершенства, получили широкое распространение  и являются основным видом оборудования для групповой пайки ТМП ФУ.

3.1 Технологические установки пайки ИК - излучением

 

В зависимости  от соотношения температур источника  излучения и нагреваемого объекта  процессы нагрева можно разделить  на термодинамически равновесные и  неравновесные. При равновесном  нагреве температура нагревателя и объекта близки друг к другу (например, нагрев в парах кипящей жидкости), при неравновесном - значительно отличаются. На практике желательно иметь равновесный режим нагрева, позволяющий устранить неравномерность нагрева и другие отрицательные факторы.

В настоящее  время в технологии ИК пайки применяют  три разновидности конструкций  установок, различающиеся видом  излучателей: ламповые, панельные и  комбинированные.

Рассмотрим  более конструкций установок  ИК пайки.

Установки с ламповыми излучателями содержат несколько зон нагрева, где установлен ряд трубчатых ИК ламп снизу и  сверху транспортера, на котором размещают монтируемы платы(рис.8).

 

Рис.8.Утановка ИК лампового нагревателя:1-вытяжная вентиляция,2- матрица ИК ламп,3-плата,4- ИК лампа,5- отражатель.6-устройство охлаждения,7- конвейер

 

В зоне оплавления располагается большое количество ламп, заключенных в отражающие рефлекторы, что позволяет создать большую плотность ИК-излучения. В зоне предварительного нагрева лампы расположены реже, что обеспечивает плавный режим нагрева и выравнивание температуры компонентов. Для удаления летучих соединений, образующихся при пайке, на выходе и входе из зоны нагрева используется вытяжной вентиляции. На выходе также имеется система принудительного охлаждения плат.

Аналогичную конструкцию имеют установки  с панельным ИК нагревом в виде керамических панелей различной мощности, что также позволяет осуществлять формирование необходимого температурно-временного профиля нагрева, но не с такой степенью гибкости. Конструкция ИК панельного нагревателя включает в себя три слоя. Лицевая сторона, обращенная к нагревательной плате, изготавливается из стекла, керамики или металла, и в зависимости от применяемого материала может выполнять функции вторичного излучателя или прозрачного окна. В первом случае излучающие свойства будут уже определяться не первичным нагревателем, а материалом лицевого слоя. Второй слой или первичный нагреватель обычно изготавливается в виде фольги или спирали из резистивного материала. Третий слой является изоляционным и выполняется из тугоплавкой керамики.

Широкое применение нашли панельные излучатели Panel IR System,работающие в среднем и дальнем спектре излучения 3-10 мкм, которые конструктивно представляют собой нагреваемые керамические панели больших размеров, работающих при температуре 200-450С.Такие установки содержат воздушные камеры с инертным газом, поэтому 60% тепловой энергии к нагреваемым объектам доставляется за счет конвекции, а 40% за счет ИК излучения среднего и дальнего спектра. Малая разница температур излучателя и нагреваемого объекта обеспечивает нагрев в режиме, близкому к равновесному. В данном случае теряются такие достоинства лампового ИК нагрева, как безынерциальность, гибкость регулирования режимов, и другие.

Большую гибкость и возможность использования  преимуществ лампового и панельного нагрева обеспечивают комбинированные системы, в которых панельные и ламповые ИК нагреватели образуют необходимое количество зон нагрева,

Конструкция типичной установки ИК оплавления приведена на рисунке 9. Установка состоит из корпуса 1, внутри которого расположено несколько зон нагрева, в каждой из которых поддерживается заданный тепловой режим. В первой и второй зонах производят постепенный предварительный нагрев изделия 2 с помощью плоских нагревателей 3. Пайку производят в третьей зоне быстрым нагревом объекта выше температуры плавления припоя с помощью кварцевых ИК ламп 4, затем объект охлаждают с помощью устройства 5.

 

Рис.9 – Схема установки пайки ИК-излучением

 

Печатные  платы транспортируются через установку  на ленточном (обычно сетка из нержавеющей  стали) конвейере 6. Режимы работы нагревателей и скорость движения конвейера регулируются с помощью микропроцессорной системы 7, В памяти компьютера хранится библиотека типовых режимов оплавления для печатных плат различных типоразмеров, температурный профиль вдоль установки отображается в графической и цифровой форме на экране дисплея 8. Характеристики температурного профиля, т. е. значения температур в каждой зоне, возможно, изменять в широких пределах, также возможно иметь библиотеку типовых режимов оплавления для печатных плат различных типоразмеров

Одним из наиболее известных производителей оборудования, использующих технологию сфокусированного ИК излучателя в своих системах, с 1986 г. является фирма PDR из Великобритании, которая является одним из ведущих производителей оборудования для пайки поверхностного монтажа. Оптическая система паяльной станции фирмы PDR (рис.10)формирует коротковолновое ИК пятно с красной подсветкой для удобства наведения. Размер пятна устанавливается с большой точностью системой оптических линз. Цифровой контроллер управления с бесконтактным датчиком температуры обеспечивает температурный профиль. В нижней части устройства расположен набор кварцевых нагревательных элементов средневолнового диапазона излучения, осуществляющий подогрев платы.

 

Рис.10.Устройство паяльной станции фирмы PDR:1-Ик оптическая система, 2- пирометр.3- печатная плата,4-кварцевый подогреватель

 

Одной из разработок фирмы PDR (рис.11) является паяльно -ремонтный центр IR-X410 для монтажа или демонтажа любых SMD,включая как соединители, так и чип компонентов, и т.д. Прецизионный вакуумный установщик микросхем гарантирует точность позиционирования. Контроль нагрева микросхемы осуществляется в реальном времени. Программное обеспечение позволяет установить любой температурный профиль с возможностью контроля температуры в восьми точках.

 

Рис.11 Паяльная система IR-Х410

 

ЗАО ЦНИТИ  «Техномаш-Трасса»выпускает установки  ИК пайки SMD-TRASSA-5609,которая имеет пять зон нагрева. В зоне предварительного двухстороннего нагрева плата нагревается до 100-270 С, имеется возможность отключения нижних нагревателей. Установка снабжена микропроцессорной системой управления, позволяющей поддерживать заданные режимы пайки, сохранять в памяти до 9 температурных профилей, отображать значения всех параметров на жидкокристаллическом индикаторе. Время пайки 20-30 мин.

Фирмой  Harotek AG(Швейцария) выпускается камерная печь ИК нагрева ECOSOLD 350 Superior(рис.12)с комбинированной ИК и конвекционной системой нагрева, где используются два типа нагревателей: четыре ИК лампы по 1000 Вт сверху и шесть керамических нагревателей 400Вт снизу. Сочетание двух видов излучателей -коротковолнового и длинноволнового, а также вентилятор для подачи горячего воздуха зоне пайки позволяет уменьшить неравномерность нагрева платы и компонентов с большими корпусами. Время предварительного нагрева 3 мин., оплавлении-3мин. Подача плат в зону пайки автоматическая, производительность-до 40 европлат/ч. Установка имеет программное обеспечение компьютерного контроля режимов, графическое отображение термопрофиля и времени пайки на мониторе.

Рис.12.Камерная печь ИК нагрева ECOSOLD 350 Superior

 

Наибольшую  популярность получило технологическое  оснащение фирмы ERSA,в частности конвекционно-инфракрасная настольная печь камерного типа для мелкосерийных производств ТТ-500А(рис.13),которая имеет 28 термопрофилей с возможностью их перепрограммирования.

 

Рис.13 Конвекционно-инфракрасная настольная печь ТТ-500А

 

Размер  плат, помещаемых в печь, до 300х400 мм с высотой компонентов на плате  до 40 мм. Печь укомплектована двумя контактными сенсорами для отладки термопрофилей , в дополнение к штатному измерителю температуры воздуха в центре камеры все показания режимов отображаются на ЖК-дисплее.