Групповые способы пайки компонентов со штыревыми выводами

Пайка элементов со штыревыми выводами, установленными на ПП, в условиях поточного производства проводится двумя основными методами: погружением и волной припоя.

Способы пайки погружением

Различные варианты реализации метода пайки погружением приведены на рис. 2.11. При пайке ПП со смонтированными элементами на 2...4 сек. погружается в расплавленный припой на глубину 0,4...0,6 ее толщины, что приводит к капиллярному течению припоя и заполнению им монтажных отверстий (рис. 2.11, а). Одновременное воздействие температуры на всю поверхность платы приводит к ее перегреву и термоудару. Это вызывает повышенное коробление ПП, что ограничивает их максимальный размер 150 мм с соотношением сторон 1:2. Чтобы ограничить зону действия припоя, на плату с монтажной стороны наносят специальную защитную маску (бумажную, эпоксидную), в которой предусмотрены отверстия под контактные площадки. С этой же целью температуру пайки выбирают более низкой, что также уменьшает потери припоя из-за окисления. Продукты окисления скапливаются на поверхности, и перед каждой пайкой их удаляют металлическим скребком. Частицы растворителя флюса, попавшие в припой, интенсивно испаряются, что приводит к локальным непропаям. Для уменьшения числа непропаянных соединений применяют пайку погружением с наклоном (5...7^о) платы (рис. 2.11, б) или на плату подают механические колебания частотою 50...200 Гц и амплитудой 0,5...1 мм (рис. 2.11, г).

Рис. 2.11. Способы реализации пайки погружением:

а — с вертикальным перемещением платы, б — с наклоном платы, в — протягиванием, г — с применением колебательных движений, д — с маятниковым движением платы, е — избирательная, ж — каскадная, з — в ванну, заполненную сеткой

Наиболее совершенным способом реализации пайки погружением является пайка протягиванием (рис 2.11, в), при которой ПП укладывается в держатель под углом около 5°, погружается в ванну и протягивается по зеркалу припоя. Впереди держателя имеется закрепленный скребок, который очищает поверхность зеркала. Создаются благоприятные условия для удаления флюса и излишков припоя. Время пайки протягиванием увеличивается до 10 сек.

Избирательная пайка (рис. 2.11, е) обеспечивает выборочную подачу припоя к паяемым контактам через специальную фильеру, изготовленную из нержавеющей стали. Между платой и фильерой зажимается слой термостойкой резины. При избирательной пайке уменьшается температура платы, снижается нагрев радиоэлементов и расход припоя. Применяют ее в условиях массового производства, когда изготовление специальной фильеры экономически целесообразно.

Высокое качество пайки обеспечивает способ погружения платы в заполненную сеткой (например, из никеля с размером окон 0,2х0,2 мм) ванну (рис. 2.11, з), которая превращается в капиллярный питатель. При соприкосновении платы с сеткой припой выдавливается через ее ячейки и под давлением капиллярного эффекта заходит в зазор между выводами и металлизированными отверстиями. При обратном движении ванны избыток припоя затягивается капиллярами сеточного набора, что предотвращает образование сосулек. Различие в длине выводов не сказывается на качестве пайки из-за гибкости сетки.

Способы пайки волной припоя

Пайка волной припоя является самым распространенным методом групповой пайки для компонентов со штыревыми выводами. Она заключается в том, что плата прямолинейно перемещается через гребень волны расплавленного жидкого припоя. Ее преимуществами являются: высокая производительность, возможность создания комплексно-автоматизированного оборудования, ограниченное время взаимодействия припоя с платой, что снижает термоудар, коробление диэлектрика, перегрев элементов. Главным условием высокой разрешающей способности пайки волной припоя, позволяющей без перемычек, мостиков и сосулек припоя паять платы с малыми зазорами между печатными проводниками, является создание тонкого и равномерного слоя припоя на проводниках.

Процесс пайки состоит из трех этапов: вхождение в припой, контактирование с припоем и выход из припоя. На первом этапе направление скорости фонтанирования волны способствует удалению паров флюса из зоны реакции как при симметричной двусторонней, так и при направленной односторонней параболической волне (рис. 2.12, а).

На втором этапе время пайки определяет полоса растекания припоя по плате в сочетании со скоростью конвейера. При двусторонней волне это время больше за счет достижения более полного заполнения припоем металлизированных отверстий. Увеличение времени взаимодействия, однако, повышает толщину припоя на печатных проводниках до некоторого предела.

Рис. 2.12. Профили волны при пайке:

а — односторонняя; б — дельта-волна; в — отраженная; г — плоская; д — лямбда-волна; е – двойная волна

Окончательное формирование толщины слоя происходит на выходе платы из волны припоя. При этом в односторонней волне предельная составляющая скорости фонтанирования вычитается из скорости конвейера, смывает излишки припоя и утоньшает оставшийся слой припоя.

В двусторонней волне скорость складывается со скоростью конвейера и способствует образованию наплывов. Таким образом, в двусторонней волне необходимо стремиться к повышению угла наклона, увеличению крутизны волны и уменьшению скорости истечения припоя. При односторонней волне более благоприятными являются горизонтальное положение конвейера, пологая форма и возможно большая скорость циркуляции припоя.

Глубина «ныряния» обычно составляет 0,6...0,8 толщины платы, но может достигать 1,5...2 толщины с носовым козырьком в передней части кассеты.

Дельта-волна (рис. 2.12, б) характеризуется стоком припоя в одну сторону, для чего одна стенка сопла выполнена удлиненной. Это уменьшает окисление припоя, однако делает чувствительным изменение высоты волны от напора нагнетателя припоя. Более целесообразна в этом отношении отраженная волна (рис. 2.12, в). Здесь за счет применения наклонного отражателя с одной стороны сопла обеспечивается удержание большего количества припоя, чем при дельта-волне, а его сток регулируется изменением угла наклона отражателя и зазором между соплом и отражателем.

Поскольку увеличение ширины волны в направлении движения платы дает положительный эффект, то применяют плоскую, или широкую волну протяженностью до 70...90 мм (рис. 2.12, г). Подобная конфигурация волны позволяет добиться получения качественных соединений при меньшей температуре припоя, чем при пайке с волной параболической формы. Такое конструктивное решение использовано в установке пайки фирмы Hollis (США). Это позволило увеличить скорость пайки с 0,6...1,2 до 3 м/мин по сравнению с пайкой волной параболической формы.

Лямбда-волна (рис. 2.12, д) получается при использовании насадки сложной формы. Форма волны и ее динамика позволяют получить на входе платы в припой ускоренный поток припоя, обладающий хорошим смачивающим действием. В зоне выхода достигается нулевая относительная скорость платы и припоя, а постепенное увеличение угла между платой и поверхностью припоя исключает образование наплывов и сосулек. Такая форма волны позволяет вести качественную пайку многослойных плат с плотным монтажом. Концепция лямбда-волны предложена фирмой Electrovert (Канада). На базе лямбда-волны указанной фирмой получена вибрирующая волна припоя — омега-волна за счет размещения вибрирующего элемента в окне сопла, через которое подается припой. Вибрация элемента создается с помощью электромагнитного преобразователя, работающего на промышленной частоте с изменяемой амплитудой до 3 мм. Омега-волна при скорости конвейера 1,2 м/мин обеспечивает заполнение металлизированных отверстий ПП на уровне 99%.

Для образования волны припоя в установках преимущественно используют механические нагнетатели, давление воздуха или газа, ультразвуковые колебания и электромагнитные нагнетатели.

Выбор режимов пайки волной припоя [7].

Угол наклона конвейера в установках пайки волной припоя может регулироваться в пределах 5-9°, оптимальный угол наклона, обеспечивающий стекание избытка припоя и препятствующий образованию перемычек и сосулек припоя, составляет 7°.

Скорость конвейера выставляется с учетом ритма работы всей производственной линии, температуры предварительного нагрева и времени контакта печатной платы с волной припоя. В общем случае для обеспечения хорошего качества пайки рекомендуется выставлять скорость в пределах 0,9-1,5 м/мин.

Перед пайкой печатная плата покрывается слоем флюса. Используются два основных способа флюсования.

Нанесение флюса распылением.

Метод распыления считается все более популярным. Метод распыления позволяет уменьшить расход флюса, обеспечить точное и равномерное нанесение флюса, уменьшить возможность образования капель.

Давление распыления флюса подбирается опытным путем. Если установить давление слишком низким капли флюса становятся больше и имеют нестабильный размер. В свою очередь, чрезмерно высокое давление может приводить к отражению флюса от печатной платы, это приводит вместо улучшения качества смачивания к большему расходу флюса, загрязнению печатных плат и оборудования.

Необходимо проверить количество флюса нанесенного на печатную плату. Флюс должен покрывать всю поверхность равномерным слоем. В случае наличия «сухих» полос или пятен, следует немного увеличить давление и повторить эксперимент. Если проблема не устраняется путем незначительного увеличения давления, корректировку параметров процесса флюсования следует осуществлять в комбинации с изменением других параметров: скорости конвейера и режимами подачи флюса.

В случае применения флюсов с высокой плотностью, таких как VOC-free (флюсы на водной основе) давление распыления следует увеличить на 10-20% по сравнению с флюсами на спиртовой основе.

Метод пенного флюсования.

Для нанесения флюса методом пенного флюсования применяются трубчатые фильтры, которые образуют мелкопузырчатую пену, обеспечивающую улучшенное смачивание, особенно при сквозной металлизации. Кроме того, такие фильтры обладают повышенной надежностью, меньше забиваются и даже выход из строя одного из элементов не ведет к нарушению производственного процесса.

Оптимальные условия нанесения флюса обычно достигаются при высоте шапки пены не более 2 см, при этом следует исключить затекание флюса на верхнюю сторону печатной платы.

Предварительный нагрев.

Предварительный нагрев обеспечивает:

· подогрев подлежащих пайке электронных компонентов с целью уменьшения термоудара,

· удаление растворителя из флюса,

· активацию флюса.

Выбор температуры предварительного нагрева зависит от конструкции печатных плат, а также от температуры испарения растворителя. Для флюсов на спиртовой основе общепринятыми являются режимы, указанные в таблице 2.3.

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.

Таблица 2.3

Выбор температуры предварительного нагрева для флюсов на спиртовой основе

Тип печатной платы	Температура на плате
Односторонняя	80-90°С
Двухсторонняя	90-120°С
Многослойная (до 4-х слоев)	105-120°С
Многослойная (более 4-х слоев)	110-130°С

В современных условиях при пайке печатных плат с применением компонентов поверхностного монтажа обычно применяются установки с двойной волной припоя (рис. 2.12, е). Вторичная волна создается несколько меньшей высоты для оплавления образующихся сосулек. Температура во вторичной волне меньше, чем в основной. Однако увеличение открытой поверхности расплава способствует образованию оксидных пленок в нем.

Температура припоя в зоне пайки может устанавливаться в пределах от 235 до 260°С. Более низкая температура пайки позволяет минимизировать термоудар по электронным компонентам. Более высокая температура до 260°С как правило устанавливается при пайке многослойных печатных плат. Для обеспечения хорошего качества паяных соединений необходимо обеспечить суммарное время пайки в пределах от 2,5 до 4 сек. Время контакта с припоем также зависит от температуры пайки. Например, как правило, при температуре 250°С достаточно 2,5 сек, а при 235 °С время пайки необходимо увеличить до 3,5 сек.

Реальную температуру на поверхности печатных плат можно измерить с помощью устройства измерения температурных профилей, например, Sensor Shuttle.

Для установки высоты волны припоя рекомендуется использовать тестовые термоустойчивые стеклянные платы с миллиметровой шкалой. При оптимальной высоте волны припой должен покрывать 1/3 толщины печатной платы.

Охлаждение рекомендуется осуществлять со скоростью от 2 до 5°С/сек с целью предотвращения теплового удара по компонентам и печатным платам.

Необходимо отметить, что в последние годы пайка двойной волной припоя находит все более широкое применение при монтаже узлов со смешанным монтажом, когда на печатную плату устанавливаются как элементы со штыревыми выводами, монтируемые в отверстия, так и поверхностно-монтируемые компоненты (рис. 2.13).

Рис. 2.13. Виды установки компонентов на печатные платы:

а – компоненты, монтируемые в отверстия; б – компоненты, монтируемые в отверстия и поверхностно-монтируемые компоненты

В настоящее время широкое применение в технологии РЭА, особенно при изготовлении спецтехники с повышенными требованиями к качеству и надежности, получили методы пайки концентрированными потоками энергии, достоинством которых являются высокая интенсивность, бесконтактное воздействие источника нагрева на зону контактирования, ограниченная зона теплового воздействия. Разработанные методы активируют не только систему «припой — паяемый материал», но и процессы их физико-химического взаимодействия, что приводит к интенсификации процессов пайки. Наибольшее распространение из этих способов получили методы оплавления дозированного припоя лазерным излучением [5].

Дата добавления: 2014-10-31