по трэс

10.ГРУППОВАЯ ПАЙКА БЛОКОВ

10.1.КЛАССИФИКАЦИЯ СПОСОБОВ ГРУППОВОЙ ПАЙКИ

Современные способы групповой пайки блоков ЭА можно классифицировать по нескольким признакам, являющимся главными факторами при формировании паяных соединений. Образование паяного соединения включает стадии активации паяемых материалов, перехода припоя в жидкое состояние, смачивания и растекания припоя, взаимодействия припоя с паяемыми материалами. Таким образом, одим из важных факторов — тепловая энергия системы — определяет скорость протекания процессов на всех стадиях и качество получаемых соединений.

Передача тепловой энергии осуществляется теплопроводностью, конвекцией, излучением либо их совместным действием. При нагреве теплопроводностью источниками тепловой энергии могут быть расплав в ванне, волна припоя, нагретая жидкость либо групповой инструмент. Конвективный теплообмен осуществляется с использованием летучего теплоносителя: горячего газа, паров жидкости, пламени горелки. Излучение, наиболее эффективное в форме концентрированных потоков энергии, вводится в зону пайки контактным путем, например УЗ-колебаниями, либо бесконтактным: электромагнитной волной, инфракрасным излучением, лазерным лучом и т. д. Классификация способов групповой пайки приведена на рис. 10.1. Другим не менее важным фактором являются физико-химические процессы взаимодействия паяемых материалов и припоя, включая механизмы удаления оксидных пленок, воздействия специальных сред и т. д. Удаление оксидных пленок может осуществляться за счет применения флюсов, механическим путем, созданием специальных сред, УЗколебаниями, плазмохимической или ионной очисткой.

Рис. 10.1. Классификация способов групповой пайки

Критериями, характеризующими эффективность способов, могут служить следующие:

где Sп, Sн — площади пайки и нагретого инструмента соответственно;

249

где Tаi, Tп — длительности соответственно автоматизированных операций и технологического процесса пайки;

габаритно-программный показатель K N = S б N/S i ,

где Sб — площадь блока; N — сменная программа выпуска; Si — площадь, занимаемая технологическим оборудованием пайки, флюсования, очистки.

Скорость нагрева непосредственно определяет время, производительность и экономичность процесса пайки. Совместное действие нагрева погружением и УЗ-активации позволяет реализовать различные способы бесфлюсовой пайки, УЗ, ВЧ, ИК-излучения — бесфлюсовые и бесконтактные методы активации.

Увеличение локальности нагрева позволяет ограничить температурное воздействие на паяемое изделие, снизить тем самым нагрев термочувствительных компонентов и платы, повысить качество паяных соединений. Уровень энергопотребления характеризует экономичность метода, способность эффективно использовать тепловую энергию без больших ее потерь в окружающем пространстве. Уровень автоматизации показывает, какая доля операций всего технологического процесса пайки автоматизирована и характеризует применяемое технологическое оборудование по уровню автоматизации процесса. Габаритно-программный показатель показывает эффективность использования оборудования для заданной серийности производства на данной производственной площади.

Кроме перечисленных факторов, выбор способа групповой пайки определяется экологической чистотой процесса, особыми требованиями техники безопасности, конструктивными формами паяных соединений.

10.2. ПАЙКА ПОГРУЖЕНИЕМ

При пайке погружением собранная плата стороной пайки опускается в расплавленный припой, который является источником нагрева. Так как переход теплоты от жидкого припоя большой массы (50 кг и более) к контактным площадкам и выводам компонентов происходит достаточно быстро, то нагрев зоны соединения до температуры пайки достигается в течение 1—2 с. В зависимости от характера движения платы относительно поверхности припоя различают следующие способы пайки погружением в расплав припоя (рис. 10.2): вертикальным перемещением (а), наклонным перемещением (б), колебательным движением (в), маятниковым движением (г), протягиванием по поверхности припоя (д), избирательной подачей припоя (е).

Рис. 10.2. Способы пайки погружением

Погружение платы в припой вертикальным перемещением осуществляют на глубину, не превышающую ее

250

толщину. Наиболее важными технологическими параметрами при этом являются: температура расплава припоя, которая поддерживается на уровне 260—280 ° С и время погружения в пределах 4—6 с. Ванны для пайки оснащаются терморегуляторами, которые поддерживают температуру в заданном интервале с точностью ± 5 оС. Нагревательные элементы располагают таким образом, чтобы дно ванны было нагрето сильнее ее стенок. В этом случае за счет естественной конвекции происходит перемешивание жидкого припоя, обеспечивающее однородность состава во всем объеме ванны. Поверхность припоя (зеркало) при пайке должна быть чистой и свободной от оксидов, которые удаляются скребком перед каждым погружением платы.

При вертикальном погружении и извлечении платы наблюдается ряд недостатков, которые связаны с условиями удаления жидких и газообразных остатков флюса и излишков припоя. Затрудненность выхода остатков флюса на поверхность припоя может привести к "захвату" флюсом припоя и образованию ложных паек. Припой не успевает стекать с платы и затвердевает с образованием сосулек, короткозамыкающих мостиков.

Ряд этих недостатков устраняется при наклонном погружении и извлечении платы. При погружении под углом 5—7 о обеспечивается удаление газовых фракций флюса и продуктов реакции, а также стекание припоя. Удачным сочетанием способа с наклонным погружением платы и устройства для снятия оксидных пленок является способ пайки в лотке (рис. 10.3, а).

1

5

Рис. 10.3. Способы пайки в лотке и с применением вибрации

Припой находится в неподвижной ванне 1, а плата 2 с установленными компонентами укладывается наклонно в держатель 3 лотка 4. Лоток в поперечном сечении имеет форму треугольника с вершиной угла, направленного в глубь ванны. При опускании лотка в расплав припоя треугольное днище рассекает пленку оксидов на поверхности припоя и своим приемным отверстием 5 начинает забирать припой из глубины ванны. При этом создаются условия для постепенного удаления из зоны пайки жидких и газообразных остатков флюса, подачи в зону пайки чистого припоя. Недостатками данного метода являются: низкая производительность процесса, что определяет его пригодность для мелкосерийного производства; большой процент дефектных соединений; повышенный расход припоя; значительное термическое воздействие на плату.

Повышения качества паяных соединений в платах с маталлизированными отверстиями достигают применением колебательных движений платы (рис. 10.3, б). Плата закрепляется в держателе, на который подаются механические колебания частотой 50—300 Гц и амплитудой 0,5—2,0 мм, получаемые от электромагнитного вибратора, либо УЗ-колебания частотой 20—44 кГц и амплитудой 10—20 мкм. Механические вибрации способствуют проникновению припоя в металлизированные отверстия, удалению остатков флюса, улучшают структуру припоя в соединении. Ультразвуковые колебания вызывают разрушение окисных пленок и улучшают смачива-

251

ние припоем паяемых поверхностей. Недостатками данного способа являются: необходимость надежного фиксирования компонентов на плате; возможность возникновения механических резонансов в компонентах, особенно транзисторах, что приводит к их повреждению.

Маятниковое движение плат, слегка изогнутых по дуге, уменьшает тепловое воздействие на плату, способствует удалению остатков флюса и излишков припоя. Однако при этом затрудняется крепление компонентов на плате, уровень припоя в ванне необходимо поддерживать с точностью ±1 мм.

Пайка протягиванием по поверхности припоя заключается в том, что плата укладывается в держатель, который под углом 5—10 о опускается на поверхность припоя и протягивается определенное расстояние по зеркалу припоя. Впереди держателя имеется скребок, который очищает поверхность зеркала от оксидов припоя. При подъеме платы излишки припоя стекают в ванну. Поскольку спокойная ванна припоя имеет меньшую склонность к окислению, то состав и чистота припоя поддерживаются с хорошим постоянством. Скорость протягивания составляет 5—8 м/мин, время протягивания одной платы — до 10 с. Установки для пайки протягиванием легко встраиваются в обычный сборочный конвейер. Недостатками способа являются относительно большое время пайки и связанное с этим значительное тепловое воздействие на поверхность платы. Последний недостаток устраняется применением защитных масок.

Во избежание коробления плат при пайке погружением термочувствительных элементов применяют изби- рательную пайку, которая заключается в подаче припоя только в места пайки. Ванна с припоем закрыта специальным кондуктором, в котором имеются отверстия, точно соответствующие числу и расположению зон пайки. Подача припоя осуществляется с помощью поршня, который выдавливает его через отверстия кондуктора в места пайки. Недостатком метода является трудность перестройки на другой типоразмер плат.

Пайку погружением в нагретую жидкость, например жидкий теплоноситель ОЖ-1 на основе лапрола Л2502-ОЖ при температуре 260 °С или глицерин при 240 °С, используют главным образом для оплавления гальванического покрытия олово-свинец на печатных платах с целью улучшения их паяемости.

10.3. ВОЛНОВЫЕ СПОСОБЫ ПАЙКИ

Способ пайки волной (wave soldering), впервые предложенный в 1955 г. в Англии, в настоящее время — самый распространенный в промышленности для пайки печатных плат крупносерийного и массового производства ЭА. Преимущества этого способа заключаются в высокой производительности вследствие механизированного движения плат относительно припоя и возможности создания автоматизированных установок, включающих полный комплекс операций: обезжиривание, флюсование, подогрев, пайку, отмывку от флюса и сушку, во взаимодействии платы с чистой поверхностью припоя в короткий промежуток времени, что снижает термоудар, коробление диэлектрика, перегрев элементов. Недостатки — большая масса припоя в ванне (100—500 кг), повышенные габариты оборудования, большее окисление припоя.

Технологические основы метода пайки волной обусловлены характером взаимодействия потока припоя и платы. Главным условием высокой разрешающей способности пайки волной, позволяющей без перемычек, мостиков и сосулек припоя паять платы с малыми зазорами между печатными проводниками, является создание тонкого и равномерного слоя припоя на проводниках платы, что в свою очередь способствует формированию паяных соединений "скелетной" формы. Процесс пайки состоит из трех этапов: вхождения платы в припой (точка А на рис. 10.4), контактирования с припоем (отрезок АВ) и выхода из припоя (точка В).

252

Рис. 10.6. Профили волн для групповой пайки:

а – плоская; б – двойная; в – дельта; г – лямбда

Плоская или широкая волна имеет протяженность до 70—90 мм, что увеличивает площадь контакта между платой и припоем и позволяет повышать производительность процесса пайки за счет увеличения скорости движения платы до 3 м/мин (установка ASTRA фирмы Hollis (США)). Подобная конфигурация волны позволяет получать качественные паяные соединения при меньшей температуре припоя, чем при пайке волной параболической формы. К недостаткам данной волны относится увеличенная открытая поверхность расплава, способствующая образованию оксидных пленок в припое. Вторичная волна образуется за счет наклонного отражателя с одной стороны сопла, что обеспечивает удержание определенного количества припоя в виде волны меньшей высоты. Температура во вторичной волне меньше, чем в основной. За счет взаимодействия платы и вторичной волны происходит оплавление сосулек припоя и повторная пайка соединений.

Дельта-волна характеризуется стоком припоя в одну сторону, для чего одна стенка сопла выполнена удлиненной, а также большим напором припоя, что обеспечивает более глубокую волну, которая применяется для пайки элементов с удлиненными выводами, например разъемов с выводами под накрутку. Недостаток — зависимость высоты волны от степени нагнетания припоя и трудность ее поддержания на постоянном уровне.

Лямбда-волна, предложенная фирмой Electrovert (Канада), использует насадку сложной формы, имеет передний со стороны платы крутой слив припоя и длинный практически горизонтальный профиль волны на выходе платы. На входе платы в волне формируется ускоренный поток припоя, обладающий хорошим смачивающим действием и проникающей способностью. На выходе устанавливается практически нулевая скорость платы относительно припоя, а постепенное увеличение угла между платой и поверхностью припоя устраняет образование наплывов и сосулек. Такой профиль волны позволяет вести качественную пайку многослойных плат с плотным монтажом и используется в установке WSV фирмы Electrovert, где высота волны регулируется от 13 до 19 мм при скорости конвейера до 5,4 м/мин.

На базе лямбда-волны фирмой Electrovert создана омега-волна за счет размещения вибрирующего элемента в окне сопла, через которое подается припой. Вибрация элемента создается с помощью электромагнитного вибратора, работающего на частоте 60 Гц с амплитудой колебаний 1—3 мм. За счет придания турбулентности волне припоя обеспечивается заполнение металлизированных отверстий в платах на уровне 99 %, количество дефектов в виде непропаев сокращается в два раза. Омега-волна используется в установке Century 2000 (фирмы Electrovert), имеющей скорость конвейера до 6 м/мин.

Серийно выпускаемые линии механизированной пайки ЛПМ-300 и ЛПМ-500 уже не удовлетворяют по сво-

254

им техническим параметрам современным требованиям, поэтому на отдельных предприятиях они подверглись модернизации. Так, на базе ЛПМ-300 разработана установка УПМ-300, имеющая:

∙плавное регулирование скорости движения транспортера от 0,3 до 3,0 м/мин;

∙электромагнитный воздухораспределитель, прекращающий пенообразование флюса при выключении двигателя транспортера;

∙устройство для автоматической остановки платы над секцией терморадиационной сушки для лучшего подогрева плат толщиной более 1,5 мм;

∙подачу защитной жидкости как на волну припоя, так и на поверхность платы в ванне.

На линии SOLTEX (Голландия) осуществляется двухступенчатая пайка по следующей схеме: пенное флюсование — подогрев — пайка протягиванием по поверхности припоя со скоростью 1,5 м/мин — охлаждение — обрезка выводов фрезой с подзаточкой и пневматическим реверсом — очистка щетками — флюсование — подогрев — пайка волной припоя. При этом сокращается расход припоя, обеспечивается однородность паяных соединений с заданной высотой выводов над поверхностью платы.

В 80-х гг. при массовой пайке волной припоя возникли новые проблемы. Дальнейшая микроминиатюризация компонентов привела к увеличению плотности компоновки, размеры проводников на плате уменьшились до 0,25 мм, а зазоры — до 0, 125 мм, число выводов на компонент возросло с 2—3 до 68. Появились безвыводные "чиповые" компоненты, монтируемые поверхностью. Традиционные установки уже не обеспечивали выполнение основной функциональной цели волновой пайки — оставлять на плате ровно столько припоя, сколько требуется для образования надежного электрического контакта. Остающийся на плате избыток припоя вызывает образование соединений заливной формы, которые менее надежны, чем соединения видимого контура, способствует возникновению перемычек и сосулек припоя.

Примером нового подхода к технологии массовой пайки волной припоя является концепция "воздушного ножа", предложенная фирмой Hollis Engineering (рис. 10.7).

1

40 – 42 0

2

15 – 20 мм

Рис. 10.7. Схема "воздушного ножа"

Поток горячего воздуха, направленный на плату 1, удаляет с ее поверхности излишки припоя, перемычки и сосульки. Сопло 2 изготавливается из нержавеющей стали и имеет достаточную массу для удержания тепла. Встроенные нагреватели внутри сопла обеспечивают нагрев воздуха до температуры 375—390 ° С при давления 0,3 МПа. Горячий воздух направляется на паяемую сторону платы через 6—8 с после ее выхода из волны под углом 40—42 ° на расстоянии до 20 мм от поверхности платы. Поскольку нагрев воздуха сопровождается значительными затратами электроэнергии, установки оснащают автоматической системой, включающей подачу воздуха при выходе платы из волны. "Воздушный нож" используется в установках GBS Mark 3 и SPS фирмы Hollis, имеющих модули двойной волны припоя, предварительный ИК - подогрев плат с двух сторон и макси-

255

мальную скорость конвейера — до 3,6 м/мин.

Для ограничения количества припоя на печатных проводниках в технологии массовой пайки применяют паяльные маски в виде сухой фотополимерной пленки, наносимой на поверхность платы вакуумным ламинированием и экспонируемой ультрафиолетовым излучением. Маска типа BAKREL фирмы Du Рont (США) матовозеленого цвета обладает хорошей адгезией к поверхности платы, устраняет образование перемычек припоя и защищает печатный монтаж от климатических воздействий. Маски выпускаются толщиной 50, 75 и 100 мкм и обеспечивают требуемую геометрию паяных соединений с фотографической точностью.

До сих пор технология волновой пайки не требовала высокой квалификации исполнителя, так как многие переменные факторы процесса не контролировались. Сокращение брака и обеспечение высокого процента выхода годных сборок (до 90 % и выше) возможно путем компьютеризации процесса волновой пайки. Компьютер позволяет не только улучшать качество соединений, но и увеличивать в 10 и более раз скорость контроля. Для реализации компьютерного управления необходимо для каждой электронной сборки сформировать матрицу параметров, таких, как тип печатной платы, длина выводов элементов, скорость и ширина конвейера, температура подогрева платы, плотность флюса, температура пайки и др. Компьютеризация позволяет обеспечивать стабильность качества паяных соединений в массовом производстве. Микропроцессорными системами управления оснащены установки SPS фирмы Hollis, Gemini 400 FМ фирмы Sensbey (Япония), NFS300 фирмы Zevatron (Германия).

Для образования волны припоя в установках пайки используют механические нагнетатели, давление воздуха или газа, УЗ-колебания и электромагнитные нагнетатели. Механический нагнетатель работает по следующему принципу (рис. 10.8). В замкнутую полость 1, на конце которой устанавливают сопло 2, постоянно нагнетается расплавленный припой с помощью крыльчатки, расположенной на валу 5, связанном клиноременной передачей с электродвигателем. Плата 4 входит в волну припоя под углом α . Высота гребня волны 3 регулируется изменением числа оборотов электродвигателя постоянного тока путем изменения напряжения питания с помощью регулируемого автотрансформатора. Такая конструкция наиболее проста, однако недостатком ее является наличие в расплаве припоя вращающихся деталей. Это требует наличия дополнительных блокировок от включения двигателя при нерасплавленном припое.

Рис. 10.8. Схема механического нагнетателя

Еще проще использовать для создания волны припоя давление воздуха или газа, подаваемого в замкнутую полость. Однако на практике применение воздуха приводит к окислению припоя, а использование инертного газа экономически нецелесообразно.

Для создания небольшой по размеру волны припоя могут использоваться УЗ-колебания, вводимые в припой с помощью специального излучателя. Однако конструктивно сложно "развязать" излучатель с ванной припоя,

256

волна имеет очень небольшие размеры и затруднена пайка плат с обычными размерами. Поэтому более рационально вводить УЗ-колебания в волну припоя, создаваемую механическими нагревателями.

Принцип действия электромагнитных нагнетателей заключается в том, что взаимодействие электрического тока, проходящего через припой, и внешнего магнитного поля приводит к появлению в жидком припое электромагнитных (пондеромоторных) сил, направленных перпендикулярно к векторам тока и поля и приводящих

→ →

припой в движение: Fэм = I × B .

По принципу действия электромагнитные нагнетатели подразделяются на кондукционные и индукционные. В первых электрический ток подводится к припою от внешнего источника с помощью специальных электродов, контактирующих с жидким припоем непосредственно либо через стенки канала (рис. 10.9, а). Прямоугольный канал, выполненный из немагнитного материала с низкой электропроводностью (нержавеющая сталь), расположен между полюсами N и S магнита. В канал вмонтированы электроды, по которым пропускается постоянный ток от источника. Взаимодействие магнитного поля и тока приводит к появлению разности давлений на входе и выходе насоса (по правилу левой руки). Постоянные магниты должны быть изготовлены из твердых магнитных материалов (например, феррита бария), сохраняющих свои магнитные свойства при рабочих температурах пайки. К недостаткам такого нагнетателя следует отнести небольшие размеры струи припоя и старение постоянных магнитов при воздействии температуры.

а

S

Рис.10.9. Схемы нагнетателей:

а – кондукционного; б – спирального индукционного

Принцип действия индукционных нагнетателей подобен принципу действия асинхронных двигателей (рис. 10.9, б). Ток в расплаве возбуждается индукционным путем с помощью переменного электромагнитного поля. Примером является спиральный индукционный нагнетатель, который состоит из индуктора 1, выполненного подобно статору асинхронного двигателя из листовой электротехнической стали, в пазы которого уложена обмотка 2, магнитопровода 3, служащего для уменьшения рассеивания магнитного потока рабочего канала 4 и выполненного в виде одноили многозаходной спирали.

В результате взаимодействия вращающегося магнитного поля и наведенных им в массе металла индукционных токов в припое возникают центробежные силы, перемещающие жидкий металл по виткам канала, обеспечивая поступательное движение расплава. К недостаткам подобного устройства относятся ограниченные размеры волны и турбулентный (вихревой) ее характер.

Большее распространение получили индукционные однофазные электромагнитные нагнетатели, в которых используется специальным образом профилированная ванна и часть расплава припоя в качестве токопровода для индуцирования в нем электрических токов (рис. 10.10, а). В ванне 1, заполненной жидким припоем, уста-

257