Пайка в инфракрасной печи

 

Особенное внимание следует уделить  подогреву при работе с многослойными  печатными платами, который должен обеспечить качество пайки сквозных металлизированных отверстий. Изменение  температуры на стадии предварительного нагрева должно осуществляться со скоростью  не более 2°С/сек. В случае недостаточного прогрева и неполного удаления растворителя флюса при пайке происходит выделение  газов в волну припоя, это ухудшает смачивание и может приводить  к непропаям вводов компонентов.

 

6. Технология нанесения припойной пасты

 

Процесс нанесения паяльной пасты зависит  от большого числа составляющих:

- от характеристик  оборудования – принтеров, держателей  плат и др.;

- от трафаретов  – формы и размеров отверстий,  качества стенок отверстий, толщины  трафарета;

- от параметров  процесса нанесения пасты –  скорости, угла атаки, давления  и жесткости ракеля, скорости отделения трафарета, зазора между трафаретом и платой;

- от припойной  пасты – размера частиц, объемного  содержания металла, вязкости  пасты, подвижности флюса;

- от параметров  рабочего помещения – температуры,  влажности, пыли.

Припойная паста может наноситься с помощью  механических устройств для трафаретной печати (ручной способ), с помощью автоматических принтеров, с помощью дозаторов.

Дозаторы  – устройства последовательной обработки, паста наносится по программе  в определенном объеме на заданные точки ПП. Автоматический дозатор представляет собой рабочий стол, на который крепится обрабатываемая плата. Над рабочим полем перемещается дозатор, который осуществляет нанесение материалов на плату, для управления используется персональный компьютер. Ключевые параметры дозаторов: скорость дозирования (до 15 тыс. точек в час) и максимальный формат обрабатываемой платы (до 450x450 мм). Как и любой последовательный процесс, такой способ нанесения пасты занимает гораздо больше времени, чем трафаретная печать. Однако для дозатора не требуется разрабатывать и изготавливать трафарет. При малых объемах производства (единичные платы) для нанесения материалов можно применять и ручное дозирование.

Если  на производстве изготавливается большое  число конструкций плат при малом  их количестве, то целесообразно применять  метод дозирования, особенно при лабораторном производств, так как стоимость изготовления трафаретов (по одному на каждую сторону каждой разновидности плат) может оказаться больше стоимости изготовления самих плат. В случае промышленного производства, напротив, нанесение материалов методом дозирования нежелательно из-за низкой скорости процесса по сравнению с трафаретной печатью. На крупносерийных производствах стоимость трафаретов не вносит заметного вклада в общие расходы.

Устройства  трафаретной печати могут быть как  ручными, так и автоматическими.

Ручной  принтер представляет собой сравнительно простое устройство: на металлической  раме закрепляется трафарет, после чего раму крепят к рабочему столу, на котором находится плата, давление на ракель осуществляется оператором вручную. В автоматических принтерах все операции – совмещение трафарета и печатной платы, осуществление приводного давления на ракель, дозирование припойной пасты на трафарет – выполняются автоматически. Эти устройства могут работать как автономно, так и в составе производственной линии. Основные параметры автоматических принтеров: максимальный формат платы, который может достигать значения 510х510 мм, и скорость перемещения ракеля (до 150 мм/с).

6.1 Выбор припойной пасты

 

Припойные пасты, использовавшиеся ранее в  производстве гибридных микросборок, были значительно улучшены применительно  к технике поверхностного монтажа. Однако при разработке высоконадежного  и экономически эффективного процесса изготовления изделий инженер-технолог должен выбрать припойную пасту  с характеристиками, оптимально удовлетворяющими требованиям технологии производства конкретного изделия.

Характеристики  припойных паст в первую очередь определяются их составом.

 

 

6.2 Состав припойных паст

 

Припойные пасты, как правило, представляют собой  смесь мелкодисперсного порошка  материала припоя со связующей жидкой основой; при этом содержание порошка  припоя составляет приблизительно 88 % от веса всей смеси (обычно этот показатель меняется в пределах от 85 до 92 %). Однако чаще всего состав припойных паст выражают через соотношение ингредиентов материала припоя. Так, например, 63/37 означает содержание в составе материала  припоя 63 % олова и 37 % свинца, а 62/36/2-62 % олова, 36% свинца и 2 % серебра. Хотя оба этих состава довольно часто используются для приготовления припойных паст в ТПМК, существуют некоторые опасения, что присутствие в составе припоя добавки серебра способствует ускорению процесса выщелачивания серебра, входящего в состав материала выводов компонентов для поверхностного монтажа.

Характеристики  частиц в припойных пастах.

Характеристики  частиц материала припоя в припойной  пасте оказывают существенное влияние  на качество паяного соединения. Наиболее важным параметром, характеризующим  припойный материал, является размер частиц припоя, который выражается в мешах (единицах измерений при  классификации номеров сит). Так, 200/+325 означает припойную пасту, частицы  которой проходят через сито номер 200, но не проходят через сито номер 325 после предварительного удаления крупнодисперсных частиц, т. е. их размер лежит в диапазоне 44-74 мкм. Если припойная  паста наносится на коммутационную плату методом трафарет-ной печати, рекомендуется применять припойную  пасту, у которой максимальный размер частиц припоя составляет половину размера  ячейки трафарета.

Форма частиц материала припоя также оказывает  существенное влияние на процесс  трафаретной печати; считается, например, что использование в составе  паст частиц припоя сферической формы  облегчает процесс трафаретной  печати, в то время как наличие  частиц другой, отличной от сферической, формы может способствовать появлению  загрязнений (например, трафарета), затрудняющих процесс печати. Частицы неправильной формы могут, кроме того, способствовать ускорению процессов окисления  материалов припоя. Пульверизация расплавленного припоя, с помощью которой наиболее просто получить порошко-образные припои, образует частицы преимущественно  сферической формы. Использование  паст со сферическими частицами припоя позволило достичь требуемую  воспроизводимость техно-логического  процесса от одной партии изделий  к другой при формировании рисунка  припойной пасты.

6.3 Общие замечания

 

Используемая  припойная паста должна быть пригодна для реализации выбранного способа  пайки, например в ПГФ либо с ИК-нагревом. Кроме того, паста должна быть совместима с остальными операциями технологического цикла. Пока еще трудно утверждать, нужна ли просушка припойной пасты  после ее нанесения на плату с  целью предотвращения быстрого испарения  растворителя во время пайки и, соответственно, исключения вероятности искажения  заданного рисунка припойного слоя. Просушка, несомненно, эффективна еще  и с точки зрения улучшения  фиксации компонентов, по крайней мере на период транспортировки собранной  платы в зону пайки. И вместе с  тем, если просушка паст применяется, то нужно принять соответствующие  меры для предотвращения окисления  припойного материала. При этом исправление  брака и удаление припойной пасты  существенно усложняются.

Промежуток  времени между нанесением припойной  пасты на коммутационную плату и  процессом пайки является еще  одним фактором, который нужно  учитывать при выборе пасты; длительный промежуток времени может привести к ухудшению электрофизических  параметров пасты. Припойная паста  не должна ухудшать свои параметры  не только в условиях термообработки при повышенной температуре, но и  в условиях циклического воздействия  температуры, которым подвергается плата как в процессе пайки, так  и на других этапах изготовления изделия.

В дополнение к этому припойная паста должна быть стойкой к воздействию химических реактивов, используемых в ТПМК, особенно во время очистки смонтированных плат, в процессе которой применяются  органические растворители на основе хлора и фтора, а также вода. Несомненно, припойная паста должна быть совместима с материалами коммутационной платы, а также с технологическими процессами, в которых она участвует. Распространенными материалами  выводов или внешних контактов электронных компонентов являются золото, серебро, палладий-серебро, медь, а также луженая медь, и припойная паста должна выбираться таким образом, чтобы исключить выщелачивание этих материалов в местах пайки и повысить надежность паяного соединения.

6.3 Трафаретный метод нанесения припойной пасты

 

Наиболее  важным в массовом производстве печатных плат, является метод трафаретного нанесения припойной пасты, в  котором паста продавливается через  трафарет (окна) на контактные площадки печатной платы. Припойная паста  уже содержит в себе и припой, и флюс, а их пропорция одна из важных характеристик пасты. Материалом трафарета может быть как сплав  никеля, так и нержавеющая сталь. Отверстия в трафарете обычно прорезаются лазером или протравливаются.

В массовом производстве этот метод эффективен, но относительно не гибок, так как  свой собственный трафарет (причем несколько) требуется для каждой платы. Гибкость достигается только за счет быстрой смены трафарета  и автоматического распределения  пасты. Основные этапы этого метода показаны на рис.24.

 

Рис.24 Основные этапы

 

При проведении скребком по поверхности трафарета  припойная паста продавливается сквозь отверстия в трафарете  на контактные площадки. Наиболее важной фазой этого процесса является продвижение  пасты вдоль поверхности трафарета, она должна продвигаться с правильной силой, углом и скоростью. Трафарет и скребок должны быть чистыми  и паста должна иметь строго определенные характеристики для этой силы, угла и скорости. Ошибки в этих параметрах приводят к плохим характеристикам  пайки, такие как непропай и другие. Практика показывает, что больше половины ошибок всего процесса сборки печатных плат приходятся именно на процесс  нанесения припойной пасты. Преимуществом  метода трафаретного нанесения припойной  пасты является то, что паста может  быть нанесена слоем до 300 мкм с  очень высокой точностью. Также  трафарет позволяет наносить пасту толщиной до 0,65 мм(рис.25)

 

Рис.25 Устройства трафаретной печати

6.4 Дисперсный метод нанесения припоя

 

Довольно  часто встречающимся методом  нанесения припойной пасты, применяемым  в штучном и мелкосерийном  производстве, является диспенсорный метод, в котором используется диспенсер - шприц.

На рис. 26 показано: 1 - крышка; 2 - давящий воздух; 3 - поршень; 4 - припойная паста; 5 - цилиндр; 6 - сопло; 7 - контактная площадка.

Автоматическая  дозировка осуществляется в соответствии с данными САПР при помощи сжатого  воздуха. Паста поступает в виде "капель" непосредственно на контактные площадки печатной платы. Преимуществом  диспенсорного метода является высокая  гибкость его применения. Этим методом  можно наносить пасту на контактные площадки толщиной от 0,75 мм.

 

Рис. 26– устройство для нанесения припоя дисперсным методом.

6.5 Контроль примесей в припое

 

Контроль  примесей осуществляется путем химического анализа припоя.

Проверка  включает:

• Выборочный анализ нового припоя загружаемого в ванну (при пополнении или замене)

• Анализ в ванне установки пайки волной припоя проводится не реже 1 раза в месяц для установок с загрузкой ванны 100-110 кг и не реже 1 раза в 3 месяца для установок с загрузкой больше 300 кг.

 

6.5.1 Рекомендации по взятию проб

Оловянно-свинцовые  сплавы при затвердевании проявляют  тенденцию к расслаиванию при  медленном охлаждении, в результате этого на отдельных участках может  происходить обогащение припоя примесями, что приводит к неправильным результатам  анализа. Поэтому для взятия проб рекомендуется:

• Обеспечить температуру в ванне с припоем не ниже 240°С

• Использовать черпак для взятия проб из нержавеющей стали

• Взятие проб производится при включенных волнообразователях

Результаты  анализа должны содержать процентно-весовые  доли следующих элементов: Си, Ag, Au, Zn, A1, Cd, Sb, As, Bi, Fe, Ni, P. Точность измерений  должна составлять 0,001%.

 

6.5.2 ПДК примесей в припое

Если  степень загрязнения припоя для  пайки превышает установленные  нормы, то следствием этого являются технологические дефекты. В связи  с этим на предприятиях внутренними  нормативами должны устанавливаться  допустимые максимальные степени загрязнения  припоя и определяться периодичность анализа припоя.

Влияние примесей на качество расплавленного припоя приведено в таблице 3. Как  видно из таблицы, требования отечественных  и зарубежных нормативных документов "слегка" отличаются.

Следовательно, наиболее дешевые припои, даже удовлетворяющие  требованиям отечественного ОСТ 4Г 0.054.267, не обязательно наиболее экономичны с точки зрения срока жизни  в ванне, надежности и качества паяных соединений.

 

6.5.3 Корректировка  состава припоя

При превышении хотя бы одного из предельно допустимых показателей по примесям ванна для  пайки считается не пригодной  для использования. Однако в очень  редких случаях необходима полная замена содержимого ванны, как правило, замене подвергается лишь часть припоя. Превышение допустимого предела для каждого элемента примеси (А) может быть определено по формуле