Пайка в инфракрасной печи

При одинарном  проходе для крепления элементов  на нижней стороне платы применяют  отверждаемые с помощью ИК и УФ излучения адгезивы, причем предпочтительным является УФ отверждение. Возможно также  для целей закрепления элементов  использовать паяльную пасту, предварительно высушенную при температуре 165 °С и охлажденную до комнатной температуры. Затем плату переворачивают, наносят пасту на другую сторону, устанавливают элементы и производят ИК оплавление. Паста удерживает ИС в корпусах LCC и чип -элементы на месте. Последний способ находится в стадии изучения.

Атмосфера в рабочей зоне. При проведении ИК оплавления состав атмосферы внутри рабочей зоны установки может  быть легко проконтролирован и поддерживаться с высокой точностью. Возможно, определять наличие посторонних газов при их концентрации до 1 ... 3 ррт, что позволяет подробно изучить влияние различных загрязнений и измерение их концентрации в атмосфере на качество паяных соединений.

В установках наиболее часто оплавление ведут  в воздушной атмосфере, однако это  не всегда желательно, поскольку присутствующий в его составе кислород приводит к разрушению, как органических материалов, так и металлов. Разница в температурах разложения материала и оплавления определяет температурное окно процесса в воздушной среде. Если этот диапазон температур мал, то скорость нагрева должна быть невелика, температура сборки близка к равновесной перед вводом изделия в зону оплавления. Представляет проблему окисление металлических выводов на втором этапе ИК оплавления, а также возникновение шариков припоя вследствие окисления припоя в паяльной пасте. Для успешного проведения операции оплавления длительность всего цикла не должна превышать 100-150с.

Наиболее  часто при создании инертной среды  используют азот с малым содержанием  кислорода. При этой атмосфере, возможно, нагревать стеклотекстолитовыс печатные платы до температуры 300 "С без их расслоения, расширяя окно процесса на 240 %, в результате чего цикл оплавления может быть сокращен до 90—50 с. Кроме чисто экономических выгод, такой подход снижает опасность теплового повреждения элементов, устраняет окисление флюса, что способствует лучшему очищению подлежащих пайке поверхностей и снижению вероятности образования шариков припоя.

Применяют также водородно-азотную атмосферу, которая благоприятно воздействует на используемый при пайке флюс, увеличивая краевой угол смачивания флюса по отношению к полимерным материалам и керамике.

Так, введение 5 % водорода в азотную среду приводит к значительному снижению растекания флюса по подложке.

В этом случае, во-первых, можно уменьшить радиус галтели припоя в паяном соединении, образующийся при оплавлении.

Во-вторых, снизить вероятность смещения элементов  вследствие ее скольжения на флюсе. И, наконец, увеличение краевого угла смачивания уменьшает количество флюса, затекающего  под корпус элемента, что упрощает очистку плат и снижает степень  ионных загрязнений.

Изменение в контактном угле смачивания флюса  обусловлено увеличением его поверхностной энергии в присутствии водорода.

3.4 Установка температурного режима инфракрасной пайки

 

Прежде чем производить пайку  необходимо правильно установить температурный  режим установки инфракрасной пайки.

Для этого необходимо:

- закрепить термопару на плате таким образом, чтобы спай термопары был плотно прижат к поверхности печатной платы.

Термопару желательно закреплять в  центре посадочного места наиболее массивного элемента (например - микросхемы);

- сверху закрепленного спая термопары установить элемент, который должен находиться в данном месте печатной платы;

- подключить термопару к термоизмерительному прибору (например – КСП-4) с пределом измерения не менее 250°С;

- установить плату на подплатник;

Рассмотрим устаноку температурного режима для установки "Радуга-3":

- подплатник поставить на конвейер установки пайки;

- установить скорость движения конвейера равную 0,5±0,05 м/мин;

- установить температуру нагревателей печи: I зона - 300°С

II зона - 150°С

III зона - 300°С;

- включить конвейер.

После того, как плата пройдет через печь, получается график изменения температуры на поверхности печатной платы. Изменяя температуру нагревателей, необходимо добиться, чтобы график имел вид, показанный кривой 1 на рис.18. Если на одной или более зон установлена максимально допустимая температура (420°С), а температура на поверхности платы получилась ниже необходимой, добиваться увеличения последней следует путем уменьшения скорости движения конвейера.

 

Рис.18 Графики изменения температур: 1- отражает классическую кривую трехзонной пайки,- 2 отражает экспоненциальную кривую однозонной пайки

 

Для установки "Радуга-6" или "Радуга-7":

-установить на таймере 2 мин,

-установить температуру нагревателей 300°С,

-установить подплатник в печь и сразу запустить таймер.

Изменяя температуру нагревателей, необходимо добиться, чтобы график имел вид, показанный кривой 2 на рис.18. Если на нагревателях установлена максимально допустимая температура (420°С), а температура на поверхности платы получилась ниже необходимой, добиваться увеличения последней следует путем увеличения времени, установленного на таймере.

После установки необходимого температурного режима печи печатную плату с установленными компонентами помещают на подплатник, который устанавливают на конвейер для осуществления групповой  пайки. Плата размещается вверх  элементами, монтируемыми в отверстия.

Необходимо помнить, что на стороне  печатной платы, которая при пайке  будет являться нижней, не следует  устанавливать ЧИП-элементы весом  более 0,5 г и микросхемы. Это необходимо предусмотреть при разработке топологии печатной платы.

Если температурный режим печи установлен правильно, пайку печатных плат, на которые настроена в данный момент печь, можно производить без  повторного контроля температуры на поверхности платы в течение  месяца.

3.5 Достоинства и достоинства метода пайки в ИК печи

 

Достоинства метода пайки в ИК печи :

- испытанный  способ серийного и массового  изготовления , который может быть автоматизирован ;

- отсутствует необходимость фиксации, приклеивания конструктивных компонентов , по меньшей мере , в случае одностороннего монтажа . К тому же в этом случае обеспечивается полное действие эффекта самостоятельного центрирования ("плавание" конструктивного элемента на жидком припое );

- высокая  плотность монтажа . Отсутствует  необходимость предусмотрения специальных (более значительных ) технологических зон между конструктивными компонентами , так как при этом методе пайки нет необходимости в выравнивании конструктивных компонентов относительно обусловленной системой оси ;

- все  конструктивные компоненты могут  паяться . Это особенно важно для конструктивных компонентов с так называемыми скрытыми под корпус контактными площадками , например , PLCC на керамическом кристалле .

Пайка таких  компонентов может осуществляться только в ИК -печи с достижением необходимой надежности , так как контроль мест пайки сопряжен со значительными трудностями и по этой причине основное внимание должно быть уделено вопросу надежности ;

- подвод  тепла может осуществляться целевым  образом , то есть осуществляется подвод такого количества тепла , которое необходимо для обеспечения высококачественной пайки и может регулироваться до оптимальной величины применительно к отдельным регулируемым зонам ;

- незначительные  расходы на установку и последующие  издержки .

Недостатки  этого метода определены следующими факторами :

- неравномерность  нагрева изделий , появление в  них горячих точек ;

- избирательность  по отношению к материалу ПП и ограничения по выбору элементной базы . То и другое объясняется поглощающей способностью элементов конструкции , подвергающихся ИК - нагреву по всему объему (эффект абсолютно черного тела );

- трудность  отвода легко испаряющихся веществ (флюса, составляющих припойных паст );

- необходимость  подбора режима пайки для каждого типа печатного узла.

3.6 Способы уменьшения недостатков инфракрасной пайки

 

В настоящее время недостатки ИК пайки значительно уменьшены.

Ранние  конструкции ИК - печей использовали для нагрева ламповые ИК - излучатели с температурой 700 - 800 0 С . Поскольку режим пайки требует температуру 210 - 215 0 С , то нагрев значительно отличается от равновесного , при этом возникали перегретые участки , обусловленные , в частности , различной степенью черноты поверхностей .

Фирма Dynapert предлагает формулу зависимости  длины волны излучателя от его температуры , которая имеет следующий вид

 

λ = 2898 мкм град / Т 0 К

 

где λ - длина волны в мкм , Т 0 – температура излучателя в К 0 . Стандартное оборудование ИК -печи работает в диапазоне температур 190-450 0 С , из которого следует ,что длина волны лежит в пределах 4-6,25 мкм , поэтому улучшение характеристик установок пайки получено переходом на излучатели , работающие в средневолновом ИК - диапазоне (4 - 6,25 мкм ). Конструктивно такие излучатели представляют собой керамические панели больших размеров со значительным количеством воздушных камер, работающих при температуре 280 -325 0 С .Применительно к конструкции современных установок, которые ещё долго будут использоваться в обозримом будущем, следует учитывать следующее :

- длина  волны излучателя должна изменяться в диапазоне поглощения обрабатываемого материала ;

- мощность  излучения или эффективность  в спектре должна достигать своей максимальной величины при использовании необходимой длины волны.

На рис19. приведена зависимость в нормальной атмосфере поглощения пропускания ИК -излучения от длины волны.

 

 

Рис.19 Кривая поглощения/пропускания ИК -излучения от длины волны. А-пропускание (%), В-поглощение (%)

 

На рис .20 поясняется зависимость поглощения /пропускания ИК -излучения базовым материалом от длины волны.

 

Рис.20 Зависимость поглощения /пропускания ИК- излучения базовым материалом от длины волны. А-пропускание(%),В-поглощение(%)

 

Таким образом, наиболее эффективной длиной волны излучателей является длина в диапазоне 4 - 6,25 мкм, т .е . в так называемом средневолновом диапазоне инфракрасного спектра . Этот диапазон лежит вне диапазона для видимого света , т .е .различная окраска объектов не оказывает никакого влияния на их равномерный нагрев . Другой важной особенностью средневолнового излучателя является способность к лучшему нагреву воздуха по сравнению с обычными инфракрасными лампами .

Нагрев  подвижного воздуха может использоваться, например, для предотвращения возникновения тени, которая оказывается тем сильнее , чем больше размеры конструктивных компонентов . К числу таких конструктивных компонентов можно отнести пластмассовые носители чипов с 44, 68, 84, 200 выводами . Кроме того ,плохая теплопроводность эпоксидных материалов ухудшает результаты пайки .

На рис.21 приведен вид сбоку на установку ИК - пайки с использованием плоских источников излучения (для простоты первая и вторая зоны не показаны).

 

Рис.21.Установка ИК пайки с плоскими источниками излучения. 1- внутренний блок; 2-внешний блок; 3-впускное отверстие для внутренней атмосферы; 4,5-плоский излучатель; 6-область протеканияпроцесса; 7- транспортировочная лета из благородной стали

 

Первая  зона установки предназначена для  предварительного нагрева платы , которая активизирует флюс ,а, следовательно , уменьшает количество возможно окислившихся мест соединений, а также удаляет летучие вещества из паяльной пасты ,что является важной предпосылкой для достижения хорошего результата пайки .

Вторая  зона представляет собой вентилирующую  переходную зону , в которой осуществляется отвод летучих материалов. К этой зоне примыкает зона протекания процесса, в которой три плоских излучателя расположены выше транспортировочной ленты и три плоских излучателя – ниже транспортировочной ленты .

Каждый  из этих излучателей индивидуально  управляется с помощью регуляторов на базе микропроцессора. Устройство управления, которое входит в состав установки, обеспечивает поддержание заданного значения и постоянной компенсации при падении и возрастании температуры. Аналогичным образом устройство управления компенсирует нелинейные характеристики применяемого термоэлемента. Этот термоэлемент с незначительной массой и малым временем реагирования располагается в центре плоского излучателя . Такая система поддержания температуры обеспечивает наилучшую реакцию нагревательного устройства при различных загрузках печи и позволяет обрабатывать самые разнообразные ПП.