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:

1. Получить  чистые металлические поверхности  у соединяемых деталей (удалить  загрязнения и пленки окислов) с помощью технологического флюса;

2. Нагреть  припой выше точки плавления;

3. Обеспечить  вытеснение флюса с помощью  наступающего припоя;

4. Обеспечить  растекание жидкого припоя по  металлической поверхности;

5. Обеспечить  диффузию атомов из твердой  металлической фазы в жидкий  припой и наоборот – образование сплавных зон.

Среди припоев  в радиоэлектронике наиболее широкое  распространение получили припои на основе композиции олова и свинца (ПОС). Сплав имеет особую точку, называемую точкой эвтектики. В этой точке температура кристаллизации припоя составляет 183 °С, что значительно ниже точек плавления Sn и Pb (232 °С и 327 °С).

Флюс  является материалом, под воздействием которого происходит быстрое и совершенное смачивание металлической поверхности соединяемых деталей расплавленным припоем благодаря влиянию сил поверхностного натяжения. Кроме того, флюс обладает свойством растворения и удаления окисных слоев на контактируемых металлах и защиты очищенной поверхности от нового окисления. Остатки флюса должны легко удаляться, быть не изменять электрические параметры исходного материала и не вызывать коррозии. Распространены флюсы на основе органических кислот из смол хвойных пород деревьев (канифоль). Известно и большое количество синтетических материалов.

Смачивание, как решающий фактор процесса пайки, может улучшаться посредством поверхностно-активных веществ флюсов. Качество смачивания можно определить по краевому углу смачивания (рис.6). Уменьшение поверхностного натяжения припоя в расплавленном состоянии приводит к уменьшению угла смачивания. Именно в процессе смачивания создаются условия (наряду с высокой температурой) для создания диффузионных сплавных зон на границах раздела припоя и соединяемых металлов, которые определяют прочностные характеристики паяного соединения. Зачастую прочность диффузионных сплавных зон превышает прочность соединяемых металлов.

В последнее  время набирает силу движение за исключение свинца как токсичного металла из электронных сборок. В поисках сплавов на замену традиционной композиции SnPb исследовано большое количество материалов, однако абсолютно равноценной замены пока не найдено. ПОС обладает практически оптимальными свойствами для РЭА: хорошей смачиваемостью, прочностью, пластичностью, удобной точкой плавления, коррозионной стойкостью, усталостной прочностью, и, наконец, стоимостью.

Появление на ПП поверхностно монтируемых компонентов  существенно изменило технологию пайки. Пайка волной припоя была внедрена в середине прошлого века и до настоящего времени является единственным групповым методом пайки компонентов, устанавливаемых в отверстия ПП. Она выполняется чаще всего погружением обратной стороны платы с выступающими выводами в ванну с припоем. Для пайки плат со смешанным монтажом (компоненты, монтируемые в отверстия с одной стороны платы и простые, монтируемые на поверхность с другой) был разработан метод пайки двойной волной припоя.

Для пайки  поверхностно монтируемых компонентов  была разработана технология оплавления дозированного припоя. Методами трафаретной  печати припой в виде пасты наносится на контактные площадки ПП, затем на него 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. Оплавление припоя и получение паяных соединений происходит в нагревательном устройстве. В 1973 г. появилась пайка в парогазовой фазе (ПГФ), когда фирма DuPont разработала и запатентовала специальные жидкие материалы, имеющие температуру кипения 215 °С. С 1983 г. основным конкурентом пайки в ПГФ стала пайка расплавлением дозированного припоя с помощью инфракрасного нагрева (ИК-пайка). Примерно с этого же времени развивается пайка в конвекционных печах. В Японии пайка компонентов, устанавливаемых на поверхность недорогих плат с низкой плотностью монтажа, производится с применением нагретого инструмента. Для чувствительных к тепловому воздействию и сложных микросборок с поверхностным монтажом ведущими японскими компаниями была разработана лазерная пайка. Ведущие поставщики сборочно-монтажного оборудования обычно включают установки для пайки в состав выпускаемых производственных линий. В технологии поверхностного монтажа компонентов для пайки компонентов на печатной плате применяются следующие методы пайки:

- пайка двойной волной припоя;

- пайка расплавлением дозированного  припоя в парогазовой фазе;

- инфракрасная пайка; 

- лазерная пайка;

- другие методы пайки. 

3. 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.

В течение  последнего десятилетия в промышленности велись работы по использованию ИК -излучения для оплавления пастообразных припоев, однако получаемые при этом результаты носили противоречивый характер. Основными проблемами, стоявшими перед разработчиками, были:

-неравномерность нагрева сборок, появление в них горячих точек;

-плохая воспроизводимость результатов вследствие рассогласования спектра излучения источника и спектра поглощения подложки, проводников, элементов;

-сложность отвода легко испаряющихся веществ (флюса, органических составляющих пай и др.), которые оседали на нагревателях и ухудшали их работу;

-необходимо подбирать режимы пайки для каждого типа плат в зависимости от их геометрии, массы и т. п.

Широкое внедрение ТМП активизировало работу в области установок ИК оплавления, которые в настоящее время  доведены до высокого уровня совершенства, получили широкое распространение  и являются основным видом оборудования для групповой пайки ТМП ФУ.

3.1 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.

В настоящее  время в технологии ИК пайки применяют  три разновидности конструкций  установок, различающиеся видом  излучателей: ламповые, панельные и  комбинированные.

Рассмотрим  более конструкций установок  ИК пайки.

Установки с ламповыми излучателями содержат несколько зон нагрева, где установлен ряд трубчатых ИК ламп снизу и  сверху транспортера, на котором размещают монтируемы платы(рис.8).

Рис.8.Утановка ИК лампового нагревателя:1-вытяжная вентиляция,2- матрица ИК ламп,3-плата,4- ИК лампа,5- отражатель.6-устройство охлаждения,7- конвейер

В зоне оплавления располагается большое количество ламп, заключенных в отражающие рефлекторы, что позволяет создать большую плотность ИК-излучения. В зоне предварительного нагрева лампы расположены реже, что обеспечивает плавный режим нагрева и выравнивание температуры компонентов. Для удаления летучих соединений, образующихся при пайке, на выходе и входе из зоны нагрева используется вытяжной вентиляции. На выходе также имеется система принудительного охлаждения плат.

Аналогичную конструкцию имеют установки  с панельным ИК нагревом в виде керамических панелей различной мощности, что также позволяет осуществлять формирование необходимого температурно-временного профиля нагрева, но не с такой степенью гибкости. Конструкция ИК панельного нагревателя включает в себя три слоя. Лицевая сторона, обращенная к нагревательной плате, изготавливается из стекла, керамики или металла, и в зависимости от применяемого материала может выполнять функции вторичного излучателя или прозрачного окна. В первом случае излучающие свойства будут уже определяться не первичным нагревателем, а материалом лицевого слоя. Второй слой или первичный нагреватель обычно изготавливается в виде фольги или спирали из резистивного материала. Третий слой является изоляционным и выполняется из тугоплавкой керамики.

Широкое применение нашли панельные излучатели Panel IR System,работающие в среднем и дальнем спектре излучения 3-10 мкм, которые конструктивно представляют собой нагреваемые керамические панели больших размеров, работающих при температуре 200-450С.Такие установки содержат воздушные камеры с инертным газом, поэтому 60% тепловой энергии к нагреваемым объектам доставляется за счет конвекции, а 40% за счет ИК излучения среднего и дальнего спектра. Малая разница температур излучателя и нагреваемого объекта обеспечивает нагрев в режиме, близкому к равновесному. В данном случае теряются такие достоинства лампового ИК нагрева, как безынерциальность, гибкость регулирования режимов, и другие.

Большую гибкость и возможность использования  преимуществ лампового и панельного нагрева обеспечивают комбинированные системы, в которых панельные и ламповые ИК нагреватели образуют необходимое количество зон нагрева,

Конструкция типичной установки ИК оплавления приведена на рисунке 9. 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.

Рис.9 – Схема установки пайки ИК-излучением

Печатные  платы транспортируются через установку  на ленточном (обычно сетка из нержавеющей  стали) конвейере 6. Режимы работы нагревателей и скорость движения конвейера регулируются с помощью микропроцессорной системы 7, В памяти компьютера хранится библиотека типовых режимов оплавления для печатных плат различных типоразмеров, 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

Одним из наиболее известных производителей оборудования, использующих технологию сфокусированного ИК излучателя в своих системах, с 1986 г. является фирма PDR из Великобритании, которая является одним из ведущих производителей оборудования для пайки поверхностного монтажа. Оптическая система паяльной станции фирмы PDR (рис.10)формирует коротковолновое ИК пятно с красной подсветкой для удобства наведения. Размер пятна устанавливается с большой точностью системой оптических линз. Цифровой контроллер управления с бесконтактным датчиком температуры обеспечивает температурный профиль. В нижней части устройства расположен набор кварцевых нагревательных элементов средневолнового диапазона излучения, осуществляющий подогрев платы.

Рис.10.Устройство паяльной станции фирмы PDR:1-Ик оптическая система, 2- пирометр.3- печатная плата,4-кварцевый подогреватель

Одной из разработок фирмы PDR (рис.11) является паяльно -ремонтный центр IR-X410 для монтажа или демонтажа любых SMD,включая как соединители, так и чип компонентов, и т.д. Прецизионный вакуумный установщик микросхем гарантирует точность позиционирования. Контроль нагрева микросхемы осуществляется в реальном времени. Программное обеспечение позволяет установить любой температурный профиль с возможностью контроля температуры в восьми точках.

Рис.11 Паяльная система IR-Х410

ЗАО ЦНИТИ  «Техномаш-Трасса»выпускает установки  ИК пайки SMD-TRASSA-5609,которая имеет пять зон нагрева. В зоне предварительного двухстороннего нагрева плата нагревается до 100-270 С, имеется возможность отключения нижних нагревателей. Установка снабжена микропроцессорной системой управления, позволяющей поддерживать заданные режимы пайки, сохранять в памяти до 9 температурных профилей, отображать значения всех параметров на жидкокристаллическом индикаторе. Время пайки 20-30 мин.

Фирмой  Harotek AG(Швейцария) выпускается камерная печь ИК нагрева ECOSOLD 350 Superior(рис.12)с комбинированной ИК и конвекционной системой нагрева, где используются два типа нагревателей: четыре ИК лампы по 1000 Вт сверху и шесть керамических нагревателей 400Вт снизу. Сочетание двух видов излучателей -коротковолнового и длинноволнового, а также вентилятор для подачи горячего воздуха зоне пайки позволяет уменьшить неравномерность нагрева платы и компонентов с большими корпусами. Время предварительного нагрева 3 мин., оплавлении-3мин. Подача плат в зону пайки автоматическая, производительность-до 40 европлат/ч. Установка имеет программное обеспечение компьютерного контроля режимов, графическое отображение термопрофиля и времени пайки на мониторе.

Рис.12.Камерная печь ИК нагрева ECOSOLD 350 Superior

Наибольшую  популярность получило технологическое  оснащение фирмы ERSA,в частности конвекционно-инфракрасная настольная печь камерного типа для мелкосерийных производств ТТ-500А(рис.13),которая имеет 28 термопрофилей с возможностью их перепрограммирования.

Рис.13 Конвекционно-инфракрасная настольная печь ТТ-500А

Размер  плат, помещаемых в печь, до 300х400 мм с высотой компонентов на плате  до 40 мм. Печь укомплектована двумя контактными сенсорами для отладки термопрофилей , в дополнение к штатному измерителю температуры воздуха в центре камеры все показания режимов отображаются на ЖК-дисплее.