Пайка в инфракрасной печи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Курсовая  работа

 

На тему: «Пайка в инфракрасной печи»

 

Введение в технологию поверхностного монтажа

 

Технология поверхностного монтажа компонентов обладает важнейшим критерием прогрессивности, обеспечивает миниатюризацию аппаратуры при одновременном росте ее функциональной сложности. Это отвечает требованиям рынка электронных изделий. По этой причине технология поверхностного монтажа компонентов (ТПМК) будет внедряться в технологию производства новых изделий с такой быстротой, как этого требует рынок, и, с другой стороны, как это позволяют темпы освоения методов поверхностного монтажа.

Процесс поверхностного монтажа охватывает позиционирование и установку компонентов, пайку, контроль, испытание и ремонт. Современное состояние освоения каждого из этих этапов и их совокупности все еще не позволяет получать высокий выход годных изделий  при низких затратах, ожидаемых от применения ТПМК. Кроме того, для  успешного внедрения ТПМК в производство современной микроэлектронной аппаратуры необходима увязка вопросов технологичности  на этапах конструкторского проектирования изделий.

Техника поверхностного монтажа способствовала появлению множества новых портативных  потребительских изделий: видеокамеры высокого разрешения, переносные телефоны, калькуляторы, малогабаритные компьютеры и т.д.

 

1. Анализ существующих технологических процессов монтажа на поверхность

 

Несмотря на очевидное преимущество поверхностного монтажа, в настоящее  время при проектировании и производстве РЭА применяются как монтаж на поверхность, так и монтаж в отверстия. Это связано с тем, что конструктивные исполнения ряда компонентов не пригодны для поверхностного монтажа.

Применение двух групп компонентов—монтируемые  в отверстия (КМО) и монтируемые  на поверхность (КМП) печатных плат, а  также, одно- или двусторонняя их установка  на плате дает шесть основных конструктивных исполнений функциональных узлов, которые  реализуются с помощью различных  технологий.

Если в конструкции изделия  используют только КМП (исполнение 1 и 2, табл. 1), то изделие изготавливают  методами технологии монтажа на поверхность (ТМП). При использовании только компонентов, монтируемых в отверстия (исполнение 6) изделие изготавливают по традиционной технологии—монтажа в отверстия (ТМО). В остальных случаях (конструктивные исполнения 3,4,5) применяют комбинированную технологию, т. е. совместно ТМП и ТМО.

1.1 Основные виды технологических процессов монтажа ЭРЭ

 

Рассмотрим конструктивное исполнение 1(см. табл. 1).

В данной конструкции применяют  только монтируемые на поверхность  компоненты, которые устанавливают с одной стороны печатной платы (КМП₁). Для исполнения 1 характерна высокая плотность компоновки. Пайку компонентов в основном проводят в паровой фазе (ПФ) инфракрасным излучением (ИК) на плоских нагревателях (ПН). При этом используют припойную пасту. Данный технологический процесс наиболее широко применяется в настоящее время.

Монтаж  компонентов по КМП1 состоит из следующих операций (рис.1):

нанесение припойной пасты через трафареты на контактные площадки печатной платы; установка компонентов на контактные площадки; оплавление припойной пасты; промывка платы печатной в сборе; контроль паяных соединений; ремонт (при необходимости).

В первоначальных вариантах технологического процесса пайку проводили паяльником на полуавтоматических установках; использовали также лазерную и импульсную пайку.

В первом случае применяли проволочный припои, который автоматически подавался  к месту пайки, во втором и третьем—применяли фольгу из припоя, которой опрессовывали выводы КМП с нижней стороны, а также предварительно обслуживали контактные площадки и выводы КМП. Несмотря на относительно низкую производительность и высокую стоимость по сравнению с групповыми методами пайки, эти методы и в настоящее время получили распространение при изготовлении специальной аппаратуры.

При монтаже  компонентов по КМП₁ возможно применение пайки волной припоя, хорошо зарекомендовавшую себя в традиционной технологии монтажа в отверстия (ТМО) по следующей схеме:

нанесение клея на поверхность платы; установка  КМП на контактные площадки; полимеризация  клея; поворот платы на 180°; пайка  волной припоя.

Недостатком метода является необходимость применения только КМП, устойчивых к действию расплавленного припоя, при этом достигнуть требуемого качества соединений оказалось невозможным, так как резко возрастает количество перемычек между выводами, а также непропаев вследствие эффекта тени.

Качество  соединений можно повысить за счет применения паяльных паст и групповых методов их оплавления ИК нагревом в паровой фазе, а также на плоских нагревателях.

Технологический процесс включает в себя сушку  припоя пасты для удаления летучей  части, особенно при пайке в паровой  фазе. В настоящее время данная операция исключена, так как состав паст улучшен до уровня качества, не требующего этой операции.

 

А                                      б                                     в

Рис. 1. Схема технологического процесса монтажа ТМП ФУ исполнения 1 (процесс  типа I):

а — нанесение паяльной пасты; б  — установка КМП₁; в — оплавление пасты

 

 

Таблица 1

 

В промышленности широко применяют конструктивное исполнение 2 (см. табл. 1), т. е. КМП на верхней  и нижней сторонах платы (КМП₁ и КМП₂). Такая сборка обеспечивает наивысшую плотность компоновки печатных плат, приближаясь по своим параметрам к гибридным интегральным схемам (ГИС).

 

Изготовление  проводят методами ТМП по следующей  схеме (рис. 2):

-на контактные площадки печатной платы наносят пасту припоя;

в местах установки элементов наносят  расчетную дозу клея;

-проводят установку элементов (КМП₁);

-осуществляют полимеризацию клея УФ или ИК излучением;

-пасту припоя оплавляют;

-плату переворачивают и наносят пасту припоя;

-устанавливают компоненты (КМП₂);

-проводят оплавление пасты припоя;

-проводят промывку сборки и ее контроль.

При такой последовательности операций используют установки, в которых  пайка осуществляется ИК излучением с односторонним нагревом.

При пайке в паровой фазе (ПФ), а также ИК излучением на установках с нижним и верхним расположением излучателей операцию оплавления пасты после установки КМП₁ не проводят. Нанесение клея и приклеивание после установки КМП₁ необходимо для предотвращения их отделения от платы при оплавлении пасты. Однако эта операция для КМП₁ с малым числом выводов (в корпусах MELF, SOT и SOIC) может быть исключена, поскольку компоненты в этом случае удерживаются на поверхности силами поверхностного натяжения припоя.

 

Рис. 2. Схема технологического процесса монтажа ТМП ФУ исполнения 2 (процесс  типа I):

а — нанесение  пасты; б — нанесение клея; в  — установка КМП₁; г — полимеризация клея и оплавление пасты; д — переворот платы; е — нанесение пасты; м — установка КМП₂;1 з — сушка и оплавление пасты

В конструктивном исполнении 3 (см. табл. 1) применяют компоненты обоих типов—монтируемые  на поверхность (КМП) и в отверстия (КМО) на верхней стороне печатной платы.

Конструктивное  исполнение этого типа применяют  при отсутствии ряда компонентов, предназначенные  для поверхностного монтажа. Плотность  компоновки элементов ниже, чем в  случае конструктивного исполнения 2.

Сборку проводят по комбинированной  технологии, включающей следующие операции (рис. 3):

-нанесение на поверхность платы пасты припоя;

-установка КМП₁;

-оплавление пасты припоя;

-установка в отверстия КМО₁;

-пайка волной припоя;

-промывка сборки и ее контроль.

 

Рис. 3. Схема  технологического процесса монтажа  ТМП ФУ исполнения 3:

а — нанесение  пасты; б — установка КМП₁; в сушка и оплавление пасты; г — установка КМО₁; д — пайка КМО₂ двойной волной припоя

 

Конструктивное исполнение 4 включает КМП на нижней стороне платы, КМО—на верхней стороне (см. табл. 1).

Это конструктивное исполнение возможно осуществить, используя только один способ пайки—волной припоя. Для устранения трудностей, связанных с пайкой многовыводных  КМП, применяют специальные методы пайки, такие как пайка двойной  волной припоя, волной типа «Омега», реактивной струей и др.

Сборку и монтаж проводят в следующей  последовательности (рис. 4):

на поверхность платы наносят  дозатором клей; устанавливают КМП₁; клей полимеризуют УФ и (или) ИК излучением; плату переворачивают; устанавливают КМО₂; проводят одновременную пайку КМП₁ и КМО₂ волной припоя; промывают сборку и проводят контроль.

К недостаткам  такого конструктивного исполнения следует отнести сложность обрезки  выводов КМО₂ при использовании высокопроизводительных серийных установок обрезки.

 

Рис. 4. Схема  технологического процесса монтажа  ТМП ФУ исполнения 4 (процесс типа II): а — нанесение клея; б —  установка КМП₁; в полимеризация клея; г — переворот платы; д — установка КМО₂; е — пайка КМП₁ и КМО₂ двойной волной припоя

 

Конструктивное исполнение 5 (КМП на нижней и верхней стороне платы, КМО — на верхней стороне) позволяет использовать все типы компонентов, т.е. преимуществом данного конструктивного исполнения является отсутствие какого-то либо ограничения по выбору компонентов, при этом исполнении плотность компоновки на уровне исполнения 4 и 3, но ниже, чем при исполнении 2. Технологический процесс сборки и монтажа ТМП этого исполнения состоит из следующих операций:

-на печатную плату дозатором наносят клей;

-проводят установку КМП₁;

-клей полимеризуют с помощью УФ и (или) ИК излучения;

-печатную плату переворачивают;

-наносят с помощью трафарета пасту припоя;

-устанавливают КМП₂;

-производят оплавление пасты припоя в паровой фазе, либо ИК излучением;

-устанавливают КМО₂;

-производят совместно пайку КМП₁ и КМО₂ волной припоя;

-сборку промывают и контролируют.

Возможен  другой вариант технологического процесса по исполнению 5 (рис. 5) со следующими операциями:

-наносят припойную пасту;

-устанавливают КМП₁;

-припойную пасту оплавляют любым методом (ИК, ПФ, ПН);

-печатную пасту переворачивают;

-наносят дозатором клей;

-устанавливают КМП₂;

-клей полимеризуют;

-плату еще раз переворачивают;

-монтируют в отверстия КМО₂;

-производят совместную пайку КМП₂ и КМО₂ волной припоя;

-проводят пайку КМП₂ с помощью концентрированного потока горячего воздуха (горячих воздушных ножей).

Преимущества этого способа  — снижение времени сборки и стоимости  оборудования за счет пайки всех компонентов  за один проход на одной установке.

 

 

Таким образом, рассмотрение всех шести видов конструктивных исполнений плат печатных в сборке и их технологий показывает, что  каждое исполнение имеет преимущества перед остальными. Выбор той или  иной конструкции определяется совокупностью  требований к функциональному узлу для конкретного вида аппаратуры.

Следует отметить, что в зарубежной практике принята отличная от рассмотренной классификация технологических процессов сборки ТМП функциональных узлов (ФУ), в основу которой положены не конструктивные исполнения ФУ, а технологические способы их изготовления. Все технологические процессы разделены на три группы: тип I (А), II (В) и III (С) (см. табл. 1). Технологический процесс типа I используют для изготовления узлов исполнения 1 и 2, типа II—для исполнения 4, типа III—для исполнения 5.

 

2. Общие сведения и методы пайки

 

Пайка представляет собой распространенный способ монтажа  компонентов в производстве радиоэлектронных узлов. При этом обеспечивается и механическое крепление выводов компонентов, и электрическое контактирование в соответствии с электрической принципиальной схемой. При пайке две металлические детали (или детали с металлическим покрытием) соединяются при помощи припоя - третьего металла или сплава. Соединяемые детали не расплавляются сами, расплавляется только припой. Поэтому пайка имеет более щадящий тепловой режим для деталей, чем сварка. Для получения качественного паяного соединения, обладающего хорошими электропроводящими и прочностными свойствами, необходимо обеспечить несколько условий: