Технология изготовления печатных плат

Появление на коммутационных платах поверхностно монтируемых компонентов  существенно изменило технологию пайки. Пайка волной припоя была внедрена в 50-х гг. и до настоящего времени  является единственным групповым методом  пайки компонентов, устанавливаемых  в отверстия коммутационных плат. Для пайки плат со смешанным монтажом (компоненты, монтируемые в отверстия с одной стороны платы и простые, монтируемые на поверхность (пассивные компоненты и транзисторы - с другой) был разработан метод пайки двойной волной припоя. Технология пайки поверхностно монтируемых компонентов расплавлением дозированного припоя в парогазовой фазе (ПГФ) появилась в 1973 г., когда фирма DuPont разработала и запатентовала специальные жидкие материалы. В течение нескольких лет Western Electric была единственной фирмой, пользовавшейся преимуществами этой новой разработки. В 1975 г. фирма ЗМ предложила новые материалы для пайки в ПГФ, а один из изготовителей оборудования для пайки (фирма НТС) стал ведущим поставщиком систем пайки в ПГФ. С 1983 г. основным конкурентом пайки в ПГФ стала пайка расплавлением дозированного припоя с помощью инфракрасного нагрева (ИК-пайка).

Эта краткая история иллюстрирует те изменения, которые претерпела технология пайки в США с появлением компонентов  для поверхностного монтажа. В Японии пайка компонентов, устанавливаемых  на поверхность недорогих плат с  низкой плотностью монтажа, производится с применением нагретой плиты (или  приспособления). Для чувствительных к тепловому воздействию и  сложных микросборок с поверхностным  монтажом тремя ведущими японскими  компаниями была разработана и реализована  лазерная пайка.

В настоящее время в Японии наиболее широко распространена ИК-пайка, в то время как пайка в ПГФ еще  только внедряется.

Освоение техники пайки применительно  к аппаратуре нового поколения сдерживается недостаточной изученностью физико-химических процессов, протекающих при пайке. Пользователи, внедряющие компоненты для ТПМК, обычно выбирают наиболее приемлемые методы и режимы пайки, а  также соответствующее оборудование после предварительных экспериментальных исследований. Эксперименты являются также неотъемлемой частью процесса совершенствования конструкции изделия с учетом особенностей пайки.

Пайка волной припоя появилась 30 лет  назад и в настоящее время  достаточно хорошо освоена. Она применяется  только для пайки компонентов  в отверстиях плат (традиционная технология), хотя некоторые изготовители утверждают, что с ее помощью можно производить  пайку поверхностно монтируемых  компонентов с несложной конструкцией корпусов, устанавливаемых на одной  из сторон коммутационной платы.

Процесс пайки прост. Платы, установленные  на транспортере, подвергаются предварительному нагреву, исключающему тепловой удар на этапе пайки. Затем плата проходит над волной припоя. Сама волна, ее форма  и динамические характеристики являются наиболее важными параметрами оборудования для пайки. С помощью сопла  можно менять форму волны; в прежних  конструкциях установок для пайки  применялись симметричные волны. В  настоящее время каждый производитель  использует свою собственную форму  волны (в виде греческой буквы "омега", Z-образную, Т-образную и др.). Направление  и скорость движения потока припоя, достигающего платы, также могут  варьироваться, но они должны быть одинаковы  по всей ширине волны. Угол наклона  транспортера для плат тоже регулируется. Некоторые установки для пайки  оборудуются дешунтирующим воздушным ножом, который обеспечивает уменьшение количества перемычек припоя. Нож располагается сразу же за участком прохождения волны припоя и включается в работу, когда припой находится еще в расплавленном состоянии на коммутационной плате. Узкий поток нагретого воздуха, движущийся с высокой скоростью, уносит с собой излишки припоя, тем самым разрушая перемычки и способствуя удалению остатков припоя.

Когда впервые появились коммутационные платы, с обратной стороны которых  компоненты устанавливались на поверхность, их пайка производилась волной припоя. При этом возникло множество проблем, связанных как конструкцией плат, так и с особенностями процесса пайки, а именно: непропаи и отсутствие галтелей припоя из-за эффекта затенения выводов компонента другими компонентами, преграждающими доступ волны припоя к соответствующим контактным площадкам, а также наличие полостей с захваченными газообразными продуктами разложения флюса, мешающих дозировке припоя.

Пайка двойной волной припоя

Совершенствование конструкции платы  оказалось недостаточным для  достижения высокого уровня годных при  традиционных способах изготовления изделий  с простыми компонентами, монтируемыми на поверхность обратной стороны  плат. Потребовалось изменить технологический  процесс пайки волной, внедрив  вторую волну припоя. Первая волна  делается турбулентной и узкой, она  исходит из сопла под большим  давлением (рис. 1). Турбулентность и  высокое давление потока припоя исключает  формирование полостей с газообразными  продуктами разложения флюса. Однако турбулентная волна все же образует перемычки  припоя, которые разрушаются второй, более пологой ламинарной волной с малой скоростью истечения. Вторая волна обладает очищающей  способностью и устраняет перемычки  припоя, а также завершает формирование галтелей. Для обеспечения эффективности  пайки все параметры каждой волны  должны быть регулируемыми. Поэтому  установки для пайки двойной  волной должны иметь отдельные насосы, сопла, а также блоки управления для каждой волны. Установки для  пайки двойной волной рекомендуется  приобретать вместе с дешунтирующим ножом, служащим для разрушения перемычек из припоя.

Пайка двойной волной припоя применяется  в настоящее время для одного типа коммутационных плат: с традиционными  компонентами на лицевой стороне  и монтируемыми на поверхность простыми компонентами (чипами и транзисторами) на обратной. Некоторые компоненты для ТПМК (даже пассивные) могут быть повреждены при погружении в припой во время пайки. Поэтому важно  учитывать их термостойкость. Если пайка двойной волной применяется  для монтажа плат с установленными на их поверхности компонентами сложной  структуры, необходимы некоторые предосторожности:

·                применять поверхностно монтируемые ИС, не чувствительные к тепловому воздействию;

·                снизить скорость транспортера;

·                проектировать коммутационную плату таким образом, чтобы исключить эффект затенения.

Хорошо разнесенные, не загораживающие друг друга компоненты способствуют попаданию припоя на каждый требуемый  участок платы, но при этом снижается  плотность монтажа. При высокой  плотности монтажа, которую позволяет  реализовать ТПМК, с помощью данного  метода практически невозможно пропаять поверхностно монтируемые компоненты с четырехсторонней разводкой выводов (например, кристаллоносители с выводами). Чтобы уменьшить эффект затенения, прямоугольные чипы следует размещать перпендикулярно направлению движения волны. Трудно паять двойной волной припоя транзистор в корпусе 50Т-89, поскольку он имеет довольно массивный центральный вывод, что затрудняет его равномерное смачивание припоем (и растекание припоя) по всей поверхности.

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.

Основным механизмом передачи тепла, используемым в установках пайки  с ИК-нагревом, является излучение. Передача тепла излучением имеет большое преимущество перед теплопередачей за счет теплопроводности и конвекции в описанных ранее методах, так как это единственный из механизмов теплопередачи, обеспечивающий передачу тепловой энергии по всему объему монтируемого устройства. Остальные механизмы теплопередачи обеспечивают передачу тепловой энергии только поверхности монтируемого изделия. В отличие от пайки в ПГФ, в процессе пайки с ИК-излучением скорость нагрева регулируется изменением мощности каждого излучателя и скорости движения транспортера с коммутационными платами. Поэтому термические напряжения в компонентах и платах могут быть снижены посредством постепенного нагрева микросборок. Основным недостатком пайки с ИК-нагревом является то, что количество энергии излучения, поглощаемой компонентами и платами, зависит от поглощающей способности материалов, из которых они изготовлены. Поэтому нагрев осуществляется неравномерно в пределах монтируемого устройства. Пайка кристаллоносителей без выводов или с J-образными выводами может оказаться невозможной в установках с ИК-нагревом, если компонент непрозрачен для ИК-излучения.

В некоторых установках для пайки  с ИК-нагревом вместо ламп ИК-излучения применяются панельные излучающие системы. В этом случае излучение имеет намного большую длину волны, чем излучение традиционных источников. Излучение такой излучающей системы не нагревает непосредственно микросборку, а поглощается технологической средой, которая в свою очередь передает тепло микросборке за счет конвекции. Этот способ пайки устраняет ряд недостатков, присущих традиционной пайке с ИК-нагревом, таких, как неравномерный прогрев отдельных частей микросборки и невозможность пайки компонентов в корпусах, непрозрачных для ИК-излучения. Панельные излучатели имеют ограниченный срок службы и обеспечивают намного меньшую скорость нагрева, чем традиционные источники ИК-излучения. Однако при их использовании может не потребоваться технологическая среда из инертного газа.

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.

Первые установки ИК оплавления использовали для нагрева ламповые ИК излучатели с температурой 700-800°  С. Поскольку температура пайки составляет  210-215° С, то режим нагрева значительно отличался от равновесного, при этом возникали перегретые участки, обусловленные, в частности, различной степенью черноты поверхностей. Улучшение характеристик установок было получено переходом на излучатели, работающие в средневолновом ИК диапазоне (3-10 мкм). Конструктивно такие излучатели представляют собой керамические панели больших размеров со значительным количеством воздушных камер, работающих при температуре 280-320° С. В таких устройствах до 60 % тепловой энергии доставляется к объекту за счет естественной конвекции, 40 % - при помощи средневолнового ИК излучения. Такие комбинированные установки производят нагрев объекта в режиме, близком к равновесному, и в настоящее время широко используются при монтаже ТМП ФУ.

Конструкция типичной установки ИК оплавления приведена на рис. 1. 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.

Печатные платы транспортируются через установку на ленточном (обычно сетка из нержавеющей стали) конвейере 6. Режимы работы нагревателя и скорость конвейера регулируются с помощью  микропроцессорной системы 7, 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.

Пайка расплавлением дозированного  припоя в парогазовой фазе (ПГФ)

Пайка расплавлением дозированного  припоя применима только к микросборкам с поверхностным монтажом. Она  значительно отличается от ранее  описанных методов. Процесс начинается с нанесения способом трафаретной  печати припойной пасты на контактные площадки коммутационной платы. Затем  на поверхность платы 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. После этого плата  разогревается до температуры расплавления. В результате образуется паяное соединение между контактной площадкой платы  и выводом компонента. Такая техника  пайки применима к коммутационным платам без монтируемых в отверстия  компонентов, т. е. с набором только поверхностно монтируемых компонентов  любых типов.

Метод пайки в парогазовой фазе является разновидностью пайки расплавлением  дозированного припоя, в ходе которой  пары специальной жидкости конденсируются на коммутационной плате, отдавая скрытую  теплоту парообразования открытым участкам микросборки. При этом припойная  паста расплавляется и образует галтель между выводом компонента и контактной площадкой платы. Когда  температура платы достигает  температуры жидкости, процесс конденсации  прекращается, тем самым заканчивается  и нагрев пасты. Повышение температуры  платы, от ее начальной температуры (например, окружающей среды перед  пайкой) до температуры расплавления припоя, осуществляется очень быстро и не поддается регулированию. Поэтому  необходим предварительный подогрев платы с компонентами для уменьшения термических напряжении в компонентах и местах их контактов с платой. Температура расплавления припоя также не регулируется и равна температуре кипения используемой при пайке жидкости. Такой жидкостью является инертный фторуглерод, например РС-70 производства фирмы ЗМ.

Существуют два типа установок  для пайки в парогазовой фазе: с применением одной либо двух рабочих жидкостей. В первых установках для пайки в ПГФ применялись  две рабочих жидкости (рис. 1), при  этом использовались обычно несколько  установок пайки в составе  производственной линии. С целью предотвращения утечки паров дорогого фторуглерода и припоя поверх основной технологической среды из инертного фторуглерода создавалась дополнительная технологическая среда из более дешевого фреона. Основной недостаток этих установок состоял в том, что на границе двух технологических сред происходило образование различных кислот. Поэтому для защиты коммутационных плат (защита коммутационных плат необходима в первую очередь от разрушающего действия кислот на материал коммутации (химическая, а затем электрохимическая коррозия). Кроме того, рабочая часть контейнера установки пайки в ПГФ должна изготовляться из коррозионностойкого материала, что отражается на стоимости такого оборудования) требовались системы нейтрализации кислот.