Пайка в инфракрасной печи

ИК установка  типа «Радуга»,предназначена для  оплавления припойных паст при сборке плат с применением поверхностно -монтируемых компонентов, позволяют осуществлять пайку как с одной стороны, так и одновременно с двух сторон печатной платы. Установка для пайки «Радуга- 10»состоит из нагревательной камеры с регулируемой температурой плоских нагревателей 100-300 С и пульта управления(рис.14) . Конструкция установки предусматривает ручную подачу печатных плат на специальном подплатнике. Конструктивно электрооборудование установки реализовано в виде отдельных блоков нагревателя и управления. Измеритель температуры, регулирующий, совместно с микропроцессорным управлением, обеспечивают точность поддержания температуры. Значения температуры на поверхности нагревателей измеряются при помощи термопары ХК и используются в качестве входных параметров системы регулирования. Временной интервал пайки задается цифровым таймером МТЦ 3501.Контрольный измеритель температуры ИТ 2511 определяет температурный режим печи и интервал времени пайки.

 

Рис.14 Установка для пайки «Рядуга-10»

 

Конвейерная установка ИК пайки «Радуга- 21»(рис.15) состоит из 5-зонной нагревательной камеры с регулируемой по зонам температурой пайки ИК нагревателем; пульта управления; загрузочного и разгрузочного устройств; электрооборудования.

паста инфракрасный нагрев пайка

 

Рис.15 Конвейерная установка ИК пайки «Радуга-21»

 

Фирма Heller Industries Ins. разработала установку ИК оплавления, обеспечивающая равномерное распределение температуры вдоль поверхности платы за счет применения излучающих панелей с принудительной конвекцией воздуха. Применено микропроцессорное управление.

Фирма Universal Instruments Corp. (США) разработала систему типа 4813А Cureflow, предназначенную для полимеризации клея и оплавления пасты. Размеры печатных плат от 50ХЮ0 до 400X450 мм. Возможно оплавлять платы с одно- и двусторонней установкой элементов, с основанием из стеклотекстолита, керамики .или эмалированной стали. В постоянной памяти содержится около 1200 значений параметров, включая энергию излучения и скорость движения конвейера.

Фирма RTC (Radiant Technology Corp.) (США) разработала несколько установок для ИК оплавления.

Система MI00-—настольная конвекционная ИК установка для оплавления гибридных ИС. Температура до 300 "С, длина 1200 мм.

Система РА-316— настольная, для пайки ТМП  элементов. Температура до 700 °С, азотная  или газовая атмосфера. Нагреватели  вольфрамовые или нихромовые лампы.

Система F-300 — высокопроизводительная установка ИК оплав--ления для ТМП. Атмосфера — сухой воздух или азот, рабочая зона 235X375X600 мм, температура до 800°С.

Фирма Research Inc. (США) разработала систему ИК оплавления типа 4470, в которой использованы ИК лампы и цепной конвейер с настраиваемой шириной ленты для перемещения печатной платы. Возможна комбинация верхнего нагрева и нижнего охлаждения для снижения опасности повреждения монтируемых в отверстие элементов. Краевые лампы обеспечивают равномерный прогрев вдоль конвейера, ИК лампы типа Т-3 концентрируют энергию ' непосредственно на паяные соединения.

Фирма BGK (США) разработала ИК систему типа 1648, в которой использовано сочетание ИК ламп типа ТЗ и панелей кварцевых излучателей. Применен ленточный конвейер из нержавеющей стали шириной 450 мм, имеется восемь зон с контролируемым значением температуры. Установка управляется от персонального компьютера, информация выводится на черно-белый дисплей.

Фирма Elvo Electronics Corp. (США) разработала установку "ИК оплавления типа Precisold. Плата автоматически перемещается через пять зон: загрузки, подогрева, оплавления, охлаждения и возвращается в зону загрузки. Максимальный размер плат составляет 200 X 300 мм. Возможно регулировать температуру от 30 до -280 °С.

Наиболее  совершенной в настоящее время  технологией пайки является локальная инфракрасная, когда нагрев производится сфокусированным пучком ИК-излучения только в местах пайки. Установка локальной пайки состоит из двух нагревателей, один из которых подогревает плату снизу до сравнительно невысокой температуры, и верхнего, осуществляющего в нужный момент быстрый локальный нагрев требуемой области платы до температуры плавления припоя. Фокусированная пайка более всего подходит для проведения ремонтных работ с использованием микросхем в корпусах BGA, а также для монтажа и демонтажа компонентов в труднодоступных местах.

Таким образом, для поверхностного монтажа все  большее применение получают ИК паяльные установки, которые различаются по свои функциональным возможностям и способностям эффективно выполнять монтаж и демонтаж компонентов в корпусах типа BGA, CSP, PGA, SOIC, QPF, PLCC. ИК нагрев выгодно отличается тем, что имеет более простое оборудование, которое намного экономичнее и более целесообразно для поверхностного монтажа современных изделий.

3.2 Температурный профиль ИК пайки

 

Специалисты утверждают, что с помощью метода ИК пайки достигаются наилучшие результаты пайки. Это обусловлено тем , что температурный профиль (температурная кривая , рис .16) согласован во всех случаях с заданными предпосылками. Разработка термопрофиля (термопрофилирование) в настоящее время приобретает особую важность в связи с распространением бессвинцовой технологии, в которой окно процесса (разница между минимальной необходимой и максимально допустимой температурой термопрофиля) значительно уже из-за повышенной температуры плавления припоя.

Часто использующийся контраргумент  в отношении высокой термической  нагрузки на конструктивные компоненты является , как показывает опыт , несостоятельным .Температура должна подводиться  к конструктивному компоненту не слишком быстро , однако сам процесс  пайки должен протекать как можно  быстрее . Температурная кривая для  метода пайки в ИК -печи представлена на рис .8 и является типичной для плат малого размера . На участке от 0 до 90 с температура увеличивается приблизительно до 85 0 С . В течение этого времени происходит испарение летучих материалов , которые содержатся в паяльной пасте . На участке от 90 до 120 с при температуре от 90 0 С до 130 0 С происходит удаление вязкостных добавок . На участке от 120 до 200 с и при температуре от 130 0 С до 180 0 С осуществляется активация частиц флюса , и протекают необходимые восстановительные процессы .На последнем участке от 200 до 255 с достигается температура пайки 217 С .На основании этих характеристик можно сделать вывод о том , что процесс пайки в ИК -печи сопряжен с определенным временно -температурным профилем ,который необходим для достижения высококачественных результатов . Для более крупных печатных плат необходимо время предварительного нагрева до 3 мин .

Современные ИК -печи позволяют осуществлять пайку ПП с большим количеством  конструктивных различных компонентов  с высоким качеством в течение 10 с .

В течение  этой непродолжительной длительности такта температура внутри интегральной схемы остается существенно меньшей , нежели температура плавления припоя .

 

Рис.16.Температурный кривая работы ИК печи

 

3.3 Особенности ИК пайки

 

Зонный  нагрев объекта. На рис. 16 показана зависимость температуры различных элементов от времени при ИК оплавлении (температурные профили) при перемещении печатной платы через установку.

В первой зоне происходит быстрый, главным образом, радиационный подогрев с длиной волны, проникающей в материал, что позволяет  провести безопасное и быстрое удаление летучих веществ. Обычно скорость нагрева  в этой зоне составляет 2—7^сС/с. Увеличение скорости нагрева повышает производительность операции пайки, однако при этом вследствие теплового удара могут возникнуть повреждения керамических элементов, в частности, многослойных конденсаторов.

Во второй зоне происходит выравнивание температуры  сборки, что предупреждает повреждение  термочувствительных элементов  при оплавлении. В этой области  происходит снижение температурных  градиентов, возникших на первом этапе  нагрева. Скорость нагрева в этой зоне весьма низка и для малых  элементов может даже иметь отрицательный  знак. Температура стабилизируется  на уровне 160—170'°С. Этот этап является одним из наиболее важных для получения  качественных паяных соединений.,

В третьей  зоне происходит непосредственное оплавление пасты, и создание паяного соединения.

Для этой зоны характерна высокая скорость нагрева  коротковолновым ИК излучением, что  позволяет минимизировать время  оплавления и контролировать параметры  пайки таким образом, чтобы снизить  до минимума пребывание элементов при  высокой температуре. Оптимальным  является режим, при котором корпуса  элементов имеют температуру  ниже температуры оплавления. Поскольку  температура элементов на предыдущей стадии была стабилизирована на уровне 160-—170 °С, то быстрый дополнительный нагрев на 30—45 "С не приводит к возникновению больших температурных градиентов в сборке.

Температурный профиль платы проверяют экспериментально с помощью термопар с диаметром 0,25-—0,12 ^мм> ^чт0 позволяет производить измерения температуры в небольших областях яа плате без нарушения ее теплового режима. Измерение обычно проводят в трех точках — на краю (углу) платы, где перегрев максимален, в ее центре, где имеем минимальную температуру нагрева и на половине расстояния между этими точками. Температурный про филь регистрируют с помощью самописца. Измерение проводили на припое 63Sn/37Pb и 62Sn/36Pb/2Ag. Температура должна лежать в диапазоне 210 ± 10°С. Число контрольных проходов —не более 5.

Первоначально снимают тепловой портрет для  массивных плат с большими размерами  и регулируют параметры установки  до достижения оптимальных условий  оплавления. Затем проводят аналогичную  работу для малогабаритных плат, причем оптимального режима добиваются увеличением  скорости движения ленты конвейера, либо изменением режима одного, двух нагревателей.

В современных  установках число зон нагрева  достигает 7 и более, что позволяет  максимально приблизиться к оптимальному режиму.

Скорость  и равномерность нагрева. Любой  метод быстрого нагрева изделия  создает в последнем перепад  температур. Величина этого перепада зависит от скорости нагрева, массы  и геометрии изделия. Скорость нагрева  может регулировать оператор, но при этом он не может контролировать изменения таких характеристик изделия, как размеры, форма и масса элементов, их теплопроводимость и степень черноты поверхности.

Наибольшее  влияние на равномерность нагрева  оказывает соотношение геометрических размеров и массы изделия, в особенности  для материалов с низкой теплопроводностью. С этой точки зрения наиболее слабым местом, т. е. местом, подверженным перегреву, является край печатной платы, а не элементы с большой поглощающей  способностью поверхности. Это становится ясно, если рассмотреть кубический элемент на краю платы, который тремя гранями обращен к источнику нагрева, в отличие от элемента в ее центр, у которого нагреву подвержена только одна грань.

На равномерность  нагрева сборки на печатной плате  оказывают также влияние ее сложность  и чувствительность (восприимчивость) к нагреву. В первом случае, для  определенной конструкции ФХ и перепада температур, этот параметр зависит  исключительно от скорости нагрева, незначительно меняясь от способа  доставки тепловой энергии кондукцией, конвекцией, излучением или конденсацией пара. Различие в неравномерности  нагрева не превышает 1 — 2°С, если устройство нагрева и изделие находятся в равновесии. Это означает, что до достижения этого равновесия необходимо задержать оплавление припоя, т. е. повышение температуры изделия до рабочего значения не должно быть простым, линейным. До стадии оплавления следует выронить температуру изделия с температурой системы оплавления.

 

Рис.17.Зависимость температуры печатной платы и компонентов при различных скоростях движения конвейера

 

Опасения, связанные с перегревом элементов  с высокой степенью черноты поверхности  корпусов, не оправдались. Температура  внутри не сравнима с температурой поверхности ПП и быстро выравнивается  вследствие теплопроводности и конвекции. Менее чувствительны к перегреву  большие корпуса (например, SOIC-40) по сравнению с малогабаритными (SOT-23, SOIC-8 и др.) вследствие значительно большей их массы. С ростом скорости движения конвейера возрастает влияние излучения по сравнению с кондукциеи и конвекцией, что приводит к росту температуры корпуса ( рис. 17). Платы зеленого, голубого, красного или черного цвета имеют степень черноты поверхности в пределах 0,91 ... 0,95 при Т = 230 °С, что приводит к разнице в температуре нагрева ± 1 ... ± ±4°С и подтверждается измерениями с помощью термопар.

Значительное  влияние на равномерность нагрева  сборки оказывают установленные  на плате элементы, причем как их геометрия, так и масса. Наличие  тени практически не сказывается  на скорости нагрева. В одной серии  экспериментов было увеличено расстояние между элементами с 2,5 до 5 мм, что привело к снижению массы сборки приблизительно на 8 % и росту максимальной температуры при оплавлении также на 8 %. Такое пропорциональное снижение массы и повышение температуры наблюдалось постоянно. Влияние на скорость нагрева цвета, затененности и других оптических характеристик объекта практически всегда мало по сравнению с влиянием его массы и геометрии.

Пайка двусторонних плат. На практике используют две разновидности  технологического процесса — пайка  за один проход или за два прохода. В первом случае используют установки  с нижними и верхними излучателями, во втором- только с верхними. В последнем варианте плату закрепляют на ленточном конвейере и два раза пропускают ее через установку пайки. Перед вторым проходом плату переворачивают, при этом оплавленные при первом проходе элементы оказываются снизу, припой частично расплавляется, но сил поверхностного натяжения оказывается достаточно, чтобы удержать элементы (проверяли ИС в корпусах с выводами J-типа и чип -элементы).