Варианты установки выводных компонентов на печатную плату

ПАЙКА

 

Соединение двух деталей с помощью легкоплавкого сплава называют пайкой. В отличии от сварки расплавление соединяемых деталей не происходит, процесс пайки больше похож на склеивание деталей, где в качестве клея выступает разогретый припой – сплав, имеющий достаточно низкую температуру плавления. Пайка является основным способом создания неразъемного соединения компонентов с проводниками платы. Для хорошего соединения пайкой поверхности деталей подготавливаются с помощью нанесения флюса. Детали в области пайки разогреваются паяльным оборудованием до температуры, выше температуры расплавления припоя. Припой растекается по поверхности и вытесняет флюс. Происходит смачивание соединяемых поверхностей. Образуется сплавная зона при диффузии припоя и поверхностей соединяемых деталей.

Пайка вывода компонента.

 

Если площадь проводящей дорожки платы велика или происходит пайка вывода массивного компонента, то времени на нагрев области пайки может потребоваться больше. Для таких паек нужно применять паяльник большей мощности. Иначе сплавная зона не образуется и произойдет “холодная” пайка, дающая плохой электрический контакт.

“Холодная” пайка.

 

Если смачивание происходит недостаточно, то припой сначала покрывает поверхность, а затем собирается, образуя бугры и оголяя контактную площадку на плате. Это может быть вызвано ухудшением свойств флюса, неправильным выбором температуры пайки, загрязнением поверхностей или выделением паров растворителя флюса.

Плохое смачивание припоем вывода компонента.

 

ПРИПОИ И ФЛЮСЫ

 

Припои различных марок имеют различные свойства в зависимости от комбинации олова, свинца, висмута, меди, цинка, кадмия, серебра. Припои имеют составляющие, образующие сплавы с соединяемыми металлами. Только некоторые из марок припоя предназначены для сборки электронных модулей. В настоящее время применяются традиционные и бессвинцовые припои. Традиционные припои – оловянно-свинцовые сплавы или близкие к ним. Припой выпускается в виде литых чушек, прутков, проволоки или тонкой трубки, содержащей для облегчения пайки наполнитель аналогичный флюсу. В расплавленном состоянии припой должен обеспечивать хорошее смачивание соединяемых поверхностей и тягучесть, достаточно прочное механическое соединение деталей после остывания пайки. Из традиционных марок для монтажа компонентов на платах применяется припой марки ПОС 61. Припои имеющие температуру плавления ниже 450 °С называются мягкими, если выше – твердые припои. Предельная температура расплавления припоев для сборки электронных модулей – 300 °С. Для снижения температуры плавления припоя используется явление эвтектики. Соотношение металлов в сплаве, когда температура плавления становиться ниже, чем любого из металлов в сплаве – эвтектика. Припой это сплав, имеющий свойство эвтектичности.

Припой ПОС 61.

 

Комбинация составляющих припоя позволяет получить высококачественную пайку, которая выдерживает широкий диапазон температур при эксплуатации электронного модуля.

 

Припои для сборки электронных модулей:

 

Марка	Состав	Температура полного расплавления припоя, °С
ПОССу 61-0,5	олово 61 %, сурьма 0.5 %, свинец 38.5 %	189
ПОС 61	олово 61 %, свинец 39 %	190
ПОС 61М	олово 61 %, свинец 37 %, медь 2 %	192

 

Бессвинцовые припои должны заменить свинцово-содержащие. Европейская комиссия по законодательству запретила использование свинца в производстве электроники с 2006 года. Бессвинцовые сплавы обладают более высокой прочностью по сравнению со сплавами олова и свинца, устойчивостью к перепадам температур и рекомендуются для пайки компонентов с разными тепловыми коэффициентами расширения. Пайки бессвинцовыми припоями матовые. Стоимость бессвинцовых припоев выше из-за повышенного содержания серебра.

Нагретый припой соединяется с металлами, если поверхности паяемых деталей зачищены, другими словами с них механически удалены образовавшиеся с течением времени пленки окислов.

Флюс – неметаллический материал, применяемый для химической очистки соединяемых поверхностей и обеспечивающий прочность связи в области пайки. Во время пайки флюс растворяет оксиды и сульфиды на соединяемых поверхностях. Остатки флюса не должны изменять электрические характеристики материалов и не вызывать коррозии. При расплавлении припоя флюс распределяется по поверхности жидкого металла. Во время пайки соединяемые поверхности необходимо защитить от воздействия кислорода. И эту задачу решает флюс, образующий защитную пленку над областью пайки. Для монтажа радиоэлементов на платах применяются бескислотные флюсы созданные на основе легколетучих компонентов. Состав флюса обусловлен необходимостью адсорбирования припоем и основным веществом флюса поверхностно-активного кислорода, а также частичным выделением его, благодаря чему изменяется поверхностное натяжение и способность смачивания. Флюс должен легко удаляться после завершения монтажа, так как остатки флюса могут стать в дальнейшем очагами коррозии.

 

Флюсы для сборки электронных модулей:

 

Флюс	Состав
КЭ	Канифоль 10…40 %, спирт 60…90 %,
ГК	Канифоль 6 %, спирт 80 %, глицерин 14 %
ЛТИ	Канифоль 22 %, спирт 70 %, анилин солянокислый 6 %, триэтаноламин 2 %,
ФПЭт	Смола ПН-9 или ПН-56 15…50 %, этилацетат 50…85 %
ФКЭт	Канифоль 10…60 %, этилацетат 40-90 %
ФКСп	Канифоль 10…60 %, спирт этиловый или этилацетат 40…90 %

 

Один из самых распространенных и доступных флюсов для пайки плат – флюс марки КЭ.

Флюс ФКСп.

 

Флюс спиртоканифольный СКФ (ФКСп) его разновидности: КЭ, ФКЭт, ФКСп. Применяется: для пайки на платах элементов радиомонтажа при температурах 250-280°C.

Флюс ЛТИ-120.

 

Флюс ЛТИ-120 предназначен не только для пайки плат, но и углеродистых сталей, цинка припоями при температуре 200…300°C. ПН-9, ПН-56 – флюсы, в состав которых входят канифоль или полиэфирные смолы. Перечисленные флюсы подходят для пайки меди, латуни, серебра, золота их остатки не снижают электрического сопротивления оснований плат и не вызывают коррозии. Флюсы ФКСп, ФКЭт и ФПЭт также применяются для консервации плат при длительных сроках складского хранения в качестве покрытий.

Технологии сборки плат зависят от устанавливаемых электронных компонентов и могут быть разделены на несколько основных типов. Выводной монтаж – на плате только компоненты, устанавливаемые в отверстия. Смешанный монтаж – на плате присутствуют планарные компоненты и выводные. Поверхностный монтаж – только планарные компоненты.

 

ВЫВОДНОЙ МОНТАЖ

 

Участок модуля смонтированного по технологии выводного монтажа.
Компоненты установлены на плате по варианту I, без зазора.

 

Сборку электронного модуля установкой компонентов с выводами в отверстия печатной платы и последующей пайкой называют выводным монтажом. Такой тип монтажа – прародитель современных технологий производства электронных модулей. Выводной монтаж появился одновременно с печатными платами. Появление сборки с применением печатных плат в дальнейшем к позволило автоматизировать проектирование и производство электроники. Сейчас выводной монтаж отходит на второй план, отступая перед монтажом планарных компонентов, но остаются категории электронных приборов, где выводной монтаж доминирует над другими технологиями. Это силовая электроника, источники питания, высоковольтные модули и другие.

Разъем, смонтированный на плате.

 

Существуют компоненты, не имеющие аналогов в планарном исполнении – разъемы, реле, трансформаторы для которых сборка может быть выполнена только с использованием технологии выводного монтажам.

Подготовка компонентов к монтажу нужна для выравнивания гибких выводов компонентов. Формовка производится таким образом, что расстояние между концами выводов компонента соответствует его месту установки на плате и обеспечивается требуемое расстояние между платой и компонентом. Форма выводов компонентов зависит от варианта установки.

Выводы компонентов формуются и устанавливаются на плату.

 

Формовка гибких выводов не должна их повреждать, нарушать покрытие выводов, изгиб недопустим в точке соединения вывода с корпусом и производится только на расстоянии не менее допустимого. Способ формовки должен исключать поворот вывода относительно корпуса компонента. Должна быть обеспечена сохранность стеклянных изоляторов между выводом и металлическим корпусом компонента.

Простые ограничения двух размеров R и L описывают допустимую форму изгиба вывода компонента происходящем при формовании. Радиус R изгиба вывода зависит от диаметра вывода и составляет минимум два диаметра вывода. Наименьший зазор между точкой входа вывода в корпус компонента до вертикальной оси отформованного вывода L находится в диапазоне 1…4 мм и зависит от типа корпуса компонента. После формовки на выводах не должны появляться деформации и утончений. Соблюдение приведенных простых правил способствует сохранности компонентов и надежности работы электронных модулей.

Размеры формованного вывода компонента в корпусе с осевыми выводами.

Компонент установлен по варианту II, с зазором между корпусом компонента и печатной платой.

Длина вывода от корпуса компонента до области пайки должна превышать 2,5 мм. Запрещается формовать жесткие выводы мощных транзисторов, диодов средней и большой мощности. Запрещается формовать выводы компонентов в корпусах, имеющих множество выводов, например микросхем в DIP корпусе.

Ручное формовочное оборудование.

 

Операцию формовки проводят на ручных приспособлениях и полуавтоматических установках. Формовочные полуавтоматы могут выполнять рихтовку, зачистку и подрезку выводов. Полуавтоматы могут контролировать электрические параметры компонентов, производить укладку компонентов в технологические кассеты.

Формовочный автомат.

Компоненты поступают в формовочный автомат из специальных лент, трубчатых кассет или россыпи. Требуемые размеры выводов регулируются, формовочные автоматы укомплектованы различными формовочными матрицами. Конструкция формовочных матриц обеспечивает правильную формовку. Для формовочного оборудования есть автоматические счетчики компонентов, подаваемых из ленты. Производительность автоматических счетчиков до 360000 штук в час.

 

Производительность автоматического формовочного приспособления:

 

Тип корпуса	Осевые выводы	Радиальные выводы
Из лент	40000	20000
Из россыпи	7000	3000

 

Ручная подача компонентов обеспечивает типовую производительность формовки около 1500…3000 компонентов в час.

 

Варианты установки выводных компонентов на печатную плату.

 

Вариант I – нет зазора между корпусом компонента и платой. Этот вариант хорошо подходит для установки компонентов на одностороннюю плату. Проводящий рисунок расположен на противоположной стороне от компонентов, что исключает контакт корпуса компонента и проводящего рисунка. Сокращение длины выводов компонентов снижает восприимчивость к электромагнитным помехам и снижает излучение собственных помех в эфир. Компоненты хорошо выдерживают вибрацию. Высота модуля снижается. Улучшается охлаждение компонента благодаря передаче тепла плате, что повышает надежность. Недостатком этого варианта установки является сложность отмывки модуля от флюса, обеспечение изоляции компонента от проводящего рисунка в случае двусторонней платы.

Формовка выводов, обеспечивающая зазор между платой и корпусом компонента.

 

Вариант II – между платой и корпусом компонента зазор. Применяется для двусторонних плат. Этот способ установки способствует удалению излишков флюса отмывкой, снижается нагрев микросхем при пайке. Возможно повреждение контактной площадки на односторонней плате при нагрузке на компонент сверху.

Вариант III – вертикальная установка. Компоненты с осевыми выводами располагаются плотнее. Такой вариант снижает технологичность, повышается вероятность замыкания между выводами, возрастает высота модуля. При вертикальной установке компонентов угол наклона компонента относительно вертикальной оси не должен превышать 15°.

Установка компонентов должна облегчать чтение маркировки. Особенно важно предусмотреть чтение маркировки полярности. Максимальное облегчение чтения маркировки облегчает контроль монтажа.

Сборка электронных модулей с применением выводных компонентов может производиться вручную или с помощью специального автоматического оборудования.

Качество пайки выводного компонента зависит от зазора между выводом компонента и стенками металлизированного отверстия. Зазор должен обеспечивать капиллярность, способствующую втягиванию припоя в полость между выводом и стенками отверстия и обеспечивать проникновение флюса, выход газов при пайке. Оптимальным зазор от 0,3 до 0,4 мм при использовании свинцовых припоев и 0,5 мм при использовании бессвинцовых припоев для плат толщиной от 1 до 3 мм с отверстиями диаметром от 0,6 до 1,2 мм.

Ручной выводной монтаж модулей целесообразно использовать в следующих случаях: применение автоматического оборудования невыгодно из-за малого объема заказа или сборки нескольких макетных образцов модулей, платы не подходят для автоматизированного монтажа, при окончательном монтаже выводных элементов после автоматического монтажа. Сегодня электроника находится на уровне развития не позволяющем полностью отказаться от ручных операций монтажа. Монтажник тщательно проверяет внешний вид каждого компонента перед установкой. При необходимости выполняется очистка выводов от окислов и лужение выводов. Есть возможность придания выводам каждого компонента, формы наиболее оптимальной для установки на плате, обусловленной конструкцией электронного модуля. Ручная формовка позволяет придать форму выводам компонентов, облегчающую чтение маркировки.

Ручной монтаж.

 

Некоторые рекомендации при ручной пайке. При монтаже следует использовать паяльник с предварительно луженым жалом. В зависимости от массы компонента и ширины дорожки на прогрев области пайки может понадобиться от доли секунды до двух секунд. При использовании трубчатых и припоев в виде проволоки пайка осуществляется с двух рук. Для получения наилучших результатов следует придерживаться следующей последовательности действий. Для предварительного прогрева соединяемых поверхностей коснитесь одновременно жалом паяльника контактной площадки платы и вывода компонента. Припой, находящийся на жале паяльника, нанесенный при лужении жала, способствует передаче тепла благодаря большей площади соприкосновения жала с областью пайки.

Пайка паяльником с двух рук.

 

Поднесенная к области пайки трубка припоя с флюсом позволит перенести плавящийся припой в область пайки. Это потребует около половины секунды. Если припой подать на жало, то флюс будет преждевременно выгорать. Уберите трубку припоя из паяемого соединения, а затем уберите паяльник. Вся операция должна занимать от половины до двух секунд в зависимости от параметров паяльника и смачиваемости припоем соединяемых поверхностей. Увеличение времени операции и повышение температуры паяльника могут привести к увеличению остатков флюса, пайка может оказаться хрупкой. После пайки выполняется обрезка выводов.

Обрезка выводов компонентов после ручной пайки.

 

Автоматическая сборка выполняется с помощью специального оборудования двух видов: установщики компонентов и автоматы для пайки. Преимущества автоматического монтажа плат: надежность, снижение себестоимости, высокая точность, скорость, монтаж миниатюрных элементов, автоматический контроль. Автоматы позволяют производить переналадку производственных линий благодаря программированию. Качество автоматического монтажа, а так же его стоимость, при применении автоматизированных устройств во многом обеспечивается на этапе проектирования. Современные технологии позволяют располагать компоненты с минимальным расстоянием друг от друга, до долей миллиметра, но это не всегда оправдано. Маленькие расстояния затрудняют ремонт, а так же контроль компонентов и паяных соединений. Установка компонентов осуществляется с применением специальных монтажных автоматов, осуществляющих еще и подрезку, подгибку с обратной стороны платы.

Сборочная головка автомата устанавливает компонент в радиальном корпусе.

 

Установщики выводных компонентов оснащаются набором сборочных головок. В большинстве автоматов головки имеют механические захваты, управляемые сервоприводом. Стандартные углы поворота компонента кратны 90°. Существует возможность оснащения автомата сборочной головкой со свободным углом поворота. Ряд автоматов обладает способностью устанавливать на плату проволочные перемычки, нарезая их непосредственно перед монтажом. Паспортная производительность современного монтажного оборудования достигает 20000…40000 компонентов в час. Производительность установщика при монтаже компонентов сложной формы может быть меньше в десять раз.

Монтажные автоматы оснащаются различными загрузочными устройствами – питателями. Компоненты могут поставляться вклеенными в ленту, намотанную на бобину или упакованную в магазин-коробку. Ленточные питатели предназначены для подачи компонентов, вклеенных в ленту. Питатели из трубчатых кассет предназначены для микросхем в DIP-корпусе и компонентов сложной формы, имеют наклонный транспортный лоток. Существуют горизонтальные питатели для компонентов, которые не скользят свободно по наклонному лотку вследствие своих конструктивных особенностей: массы, формы корпуса либо выступающих острых выводов. Вибробункерные питатели подают различные компоненты из россыпи и обеспечивают ориентацию компонентов перед захватом. Матричные (сотовые) питатели для компонентов сложной формы для подачи из матричных поддонов, магазинов. Некоторые питатели оснащаются микропроцессорным управлением.

Выбор технологии пайки осуществляется в зависимости от количества монтируемых элементов, их местоположения, объема сборки и сложности. Автоматический монтаж выводных компонентов выполняется на линии селективного монтажа или пайки волной.

Установка пайки волной.

 

Пайка волной зародилась в пятидесятых годах в Великобритании. Технология используется для пайки выводных компонентов, распложенных на одной стороне платы. Сейчас это самый распространенный способ сборки крупных партий электронных модулей. Пайка волной позволяет использовать отечественные выводные компоненты, благодаря чему эта технология получила распространение на территории СНГ.

Технология пайки волной обладает уникальной производительностью для автоматизированного монтажа электронных компонентов. При этом над платой выполняется ряд операций: нанесение флюса, предварительный прогрев, отмывка от излишков флюса и высушивание. Плата контактирует с волной припоя короткое время, что снижает воздействие высокой температуры. Благодаря быстрой передаче тепла пайка волной весьма эффективна при монтаже компонентов установленных в металлизированные отверстия. Минусы технологии: значительная масса припоя постоянно находящегося в ванне 100…500 кг, значительные размеры оборудования около нескольких метров, большое окисление припоя. Применение технологии пайки волной выдвигает определенные требования к разработке платы. Правильная трассировка проводящего рисунка уменьшает вероятность появления дефектов пайки.

Платы приходится защищать от волны припоя. Для этого на плату наносится слой водорастворимой пленки. Для переноса флюса на нижнюю поверхность платы его вспенивают или используют распыление. Пайку расплавленным припоем обеспечивает постоянно присутствующая стационарная волна. Платы с установленными элементами двигаются поперек волны. Наилучшие результаты позволяет достичь настройка наклона конвейера и параметров волны. Угол наклона конвейера находится в диапазоне 5…9°. Скорость перемещения плат выбирается, ориентируясь на конструкцию собираемого модуля, времени пайки примененных компонентов, темпа работы производства, температуры предварительного нагрева. Движение собираемых модулей происходит со скорость около одного метра в минуту. Оставшиеся излишки припоя сдуваются узкой струей горячего воздуха. Очистка от лишнего припоя воздухом получила название – воздушный нож.

Для формирования паек скелетной формы и высокой разрешающей способности припой на области пайки должен наносится равномерно тонким слоем. Применяют различные волны различных профилей: плоскую волну или широкую, вторичную или "отраженную", дельта-волну, лямбда-волну, омега-волну. Различное количество волн позволяет разделить оборудование на категории: с одной, двумя и тремя волнами.

Две волны припоя.

 

При технологии двух волн одна волна делается узкой и турбулентной. Энергичное перемещение припоя в первой волне исключает образование пустот в пайках, вызванных испарением флюса. Вторая волна очищает плату от излишков припоя и завершает формирование паек правильной формы. Температура пайки находится в диапазоне 235…260°С. Снижение температуры пайки создает более щадящий термический режим для деталей собираемого модуля. Высокая температура необходима при использовании бессвинцовых припоев и монтаже многослойных плат. Для исключения окисления соединяемых поверхностей пайка производится в среде азота.

Волну припоя создают механическими и электромагнитными нагнетателями, подачей газа, ультразвуковыми колебаниями. Механический нагнетатель работает следующим образом. В камеру с соплом с помощью крыльчатки постоянно нагнетают расплавленный припой. Крыльчатка приводится в движение электродвигателем. Высота волны регулируется изменением скорости вращения вала электродвигателя. Есть более простой способ создать волну припоя. Для этого используется газ, под давлением подаваемый в замкнутую полость. Но у этого способа есть и недостатки. Интенсивное движение воздуха через припой приводит к окислению припоя. Использование инертного газа неоправданно экономически.

Когда припой контактирует с проводящим рисунком платы и выводами компонентов, то в припое растворяется небольшое количество меди. Небольшое содержание меди в припое может нарушить эвтектику сплава. Температура плавления припоя увеличивается, происходят холодные пайки. Для исключения этого явления в состав припоя включается медь и висмут. Медь предварительно добавляют в припой до насыщения и дальнейшее увеличение содержания меди в припое невозможно, а висмут снижает температуру плавления припоя.

Селективная пайка с помощью сопла.

 

Селективная пайка появилась в девяностых годах. Селективная пайка - относительно новая технология, позволяющая производить избирательный монтаж только выводных компонентов. Метод требует минимум доработок для оптимизации печатных плат под данную технологию и позволяет монтировать большинство существующих типов выводных компонентов. Производительность монтажа в несколько раз выше, по сравнению с ручным монтажом.

Отличием селективной пайки от пайки волной является нагрев платы только в области пайки как при пайке паяльником. Удобно применять селективную пайку при сборке электронного модуля, содержащего планарные и малое количество выводных компонентов. Сейчас благодаря снижению использования выводных компонентов селективная пайка применяется все чаще. При сравнении с пайкой волной селективная пайка экономически более выгодна. По сравнению с пайкой волной селективная пайка не приводит к лишнему нагреву платы и позволяет применять больше типов компонентов, снизить вероятность появления дефектов, уменьшить подготовку к монтажу, исключается защитная маска, уменьшается износ оборудования отмывки плат. Внедрение селективной пайки позволяет сократить количество операций с платами, уменьшить время монтажа, уменьшить объем ручной работы. Возможна пайка разными припоями.

Селективная пайка проводится в несколько этапов. Вначале наносится флюс. Затем происходит подогрев флюса для подсушивания, активации и предотвращения термоудара при пайке. Последний этап – нанесения припоя. Весь процесс автоматизирован и происходит в специальной установке. Плата автоматически перемещается, проходя все этапы селективной пайки, начиная с нанесения флюса.

Технологии селективной пайки можно разделить на два основных типа в зависимости от применяемой головки с припоем. К одному типу технологии можно отнести использование сопла с припоем, над которым перемещается паяемая плата и происходит пайка всех точек поочередно. Ко второму типу можно отнести использование оснастки, образующей миниволны на нескольких соплах одновременно, расположенных в областях паек. Первый тип технологии более подходит для производства малых партий электронных модулей, второй для крупных партий. Пайка может осуществляться в среде азота.

Нанесение флюса выполняется тремя наиболее распространенными методами.

Флюсующий узел аналогичен головке струйного принтера и позволяет наносить флюс малыми порциями. В отличие от принтера узел нанесения флюса перемещается по плоскости как перо графопостроителя. Флюсуются только области пайки. Электромагнитный насос без механических деталей подает флюс в форсунку. Микрокапельная форсунка исключает попадание флюса на участки платы, расположенные вокруг области пайки. Точность нанесения флюса позволяет исключить операцию отмывки.

Флюсование распылением наносит флюс на всю плату. Количество форсунок наносящих флюс варьируется для каждого производимого электронного модуля.

Флюсование окунанием происходит с помощью ванны и адаптера с выдвижными насадками. Адаптер изготавливается для каждого производимого модуля индивидуально. Все области паек покрываются флюсом одновременно. Нанесение флюса окунанием актуально при изготовлении крупной партии. Адаптер с насадками меняется при переходе на другую плату. Применение насадок обеспечивает хорошее нанесения флюса точно на область пайки. Флюс хорошо наносится даже на труднодоступные точки пайки.

Нагрев платы выполняется различными нагревательными узлами.

Предварительный нагрев платы.

 

Инфракрасный нагрев выполняется с помощью нагревателей имеющих диапазон излучения от средних до коротких волн. Мощность каждого нагревателя измеряется в киловаттах. Нагрев может быть задан в соответствии с конструкцией печатного узла.

Нагревание кварцевыми излучателями и устройствами направленной конвекции. При использовании таких излучателей число задействованных источников тепла задается согласно ширине платы.

Пайка может выполняться одним соплом или множественной миниволной.

При технологии одного сопла плата перемещается с высокой точностью и позиционируется над соплом головки с припоем. Имеется возможность контролировать параметры каждого отдельного паяного соединения: высота насадки, волны, время нахождения в волне припоя и другие. На пайки в соответствии с программой расходуется строго заданное количество припоя.

Сопло для селективной пайки миниволной.

 

Различные сопла внутренним диаметром 1,5…20 мм позволяют сделать процесс пайки адаптируемым к производству большинства возможных электронных модулей. Если пайка производится в среде азота, то азот подается непосредственно в зону пайки.

Приспособление для селективной пайки множественной миниволной.

 

Пайка множественной миниволной обеспечивает повышенную производительность. Множественная миниволна пропаивает все необходимые точки пайки одновременно, и при этом качественно обрабатываются даже труднодоступные точки. При пайке множественной миниволной паяемые поверхности отлично смачиваются, образование перемычек минимально.

Селективная пайка уникальна тем, что нанесение флюса происходит точечно и дозированно, флюс выгорает в процессе пайки и отмывка остатков флюса не требуется. Это позволяет экономить на технологическом процессе отмывки плат. Таким образом исключается необходимость затрат на оборудование для отмывки. Развиваются системы селективной пайки лазером и горячим газом.

 

 

ПОВЕРХНОСТНЫЙ МОНТАЖ

 

Развитие электроники сопровождается уменьшением размеров электронных компонентов. На современном этапе развития электроники с появлением компонентов, имеющих большое число выводов, стало ясно, что прежние методы разработки и сборки не могут удовлетворять сегодняшним требованиям производства электроники. Это привело к появлению планарных компонентов и поверхностного монтажа, что позволило в высокой степени автоматизировать сборочные процессы, достичь высокой плотности монтажа, снизить объем, вес и размеры. Сборку с применением одних планарных компонентов, устанавливаемых на проводящий рисунок платы, называют поверхностным монтажом. Сборка состоит из следующих этапов: перенос паяльной пасты, установка компонентов, расплавление пасты и контроль. Поверхностный монтаж обеспечивает высокую надежность изготавливаемой электроники.

Участок модуля, выполненного по технологии поверхностного монтажа.

 

Широкое распространение поверхностный монтаж получил к концу восьмидесятых годов. Новизна заключается в использовании вместо компонентов на выводах, вставляемых в отверстия платы, применение компонентов припаиваемых к контактным площадкам, сформированным проводящим рисунком. Планарные компоненты не имеют выводов совсем или редко имеют короткие выводы. Отсутствие отверстий для установки компонентов снижает затраты на изготовление платы. Планарные компоненты унифицированы, в несколько раз меньше, вдвое дешевле выводных аналогов. Модули, собранные по технологии поверхностного монтажа имеют плотное размещение компонентов, малое расстояние между компонентами и контактными площадками. Уменьшение длины проводников улучшает передачу высокочастотных и слабых сигналов, уменьшается нежелательная индуктивность и емкость. Планарные радиоэлементы имеют низкую цену. Поверхностный монтаж сегодня распространен намного шире монтажа в отверстия. Постоянно снижается себестоимость сборки.

Поверхностный монтаж обладает рядом недостатков. Жесткое крепление компонента за корпус к проводящему рисунку приводит к разрушению компонентов, подвергающихся воздействию перепадам температур. Модули, собранные из планарных компонентов боятся перегрева при пайке, сгибов и ударов. Эти воздействия приводят к трещинам компонентов. Разработчик печатных плат должен проектировать проводящий рисунок, обеспечивающий равную скорость нагревания контактов компонента благодаря симметричности тепловых полей. Технология групповой пайки включает в себя режим работы оборудования и технологическую оснастку обеспечивающие одинаковую скорость нагревания контактов каждого компонента для исключения брака. Требуется точно соблюдать требования переноса пасты на плату и режим работы паяльного оборудования. Повышаются требования к транспортировке и хранению планарных компонентов и материалов для монтажа. Отработка трассировки проводящего рисунка требует больше средств. Возрастают затраты на технологическую оснастку при выпуске опытных партий. Ремонт модулей собранных поверхностным монтажом требует специализированного инструмента.

Нанесение пасты на контактные площадки выполняется дозатором при отработке макетного образца платы, а при серийном изготовлении модулей используется трафарет совместно с оснасткой.

Трафарет изготавливается из металлической фольги, имеющей толщину от 0,075 до 0,2 мм с отверстиями прямоугольной, трапециевидной или круглой формы. может быть изготовлен из различных материалов: нержавеющей стали, никеля, бронзы. Чаще других материалов для изготовления трафарета применяется сталь.

Стальной трафарет.

 

Чтобы обеспечить постоянство объема наносимой пасты и ее легкий выход на плату отверстия выполняют с закругленными углами. Металлические трафареты имеют продолжительный срок службы и позволяют быстро и точно нанести паяльную пасту или клей. Трафарет, выполненный из нержавеющей стали, имеет полированную поверхность, не нуждается в механической обработке, не растягивается. Расчетный срок службы исчисляется десятками тысяч проходов. Отверстия делают с помощью травления, вырезаются лазером или с помощью гальванопластики. При изготовлении лазерной резкой луч выжигает отверстие требуемого размера с отклонением не более 0,005 миллиметра. Другое преимуществом лазерной резки – возможность изменения конусности стенок отверстия. Трафареты, выполненные лазерной резкой, отличаются высокой точностью.

Изготовление трафарета с помощью лазера.

 

Применение трафаретов позволяет использовать платы, изготавливаемые из различных материалов, они применимы для компонентов с расстоянием между выводами меньше 0,6 мм. Изготовление трафаретов травлением имеет некоторые недостатки. Отделение паяльной пасты затруднено из-за имеющегося в отверстиях уклона, возможно смыкание отверстий, при фотолитографии затруднено совмещение рисунков на двух сторонах заготовки трафарета.

Для сокращения сроков изготовления модулей несколько плат объединяют в одну групповую плату. Для групповой платы изготавливается большой трафарет. Паста переносится на групповую плату через один трафарет за один проход.

Компоненты устанавливаются на групповую плату с помощью автомата.

 

После переноса пасты на групповую плату на нее устанавливаются компоненты и выполняется расплавление пасты.

Проектирование трафарета ведется в программах предназначенных для разработки печатных плат. Изготовление производится непосредственно по данным файла трафарета.

Графические данные файла трафарета, подготовленного в программном пакете разработки плат PCAD.

 

Проектирование трафарета ведется, ориентируясь на проводящий рисунок платы и размеры рамки установки трафарета. Исходя из размеров рамки, имеющейся в распоряжении производства, рассчитывается сколько плат объединить в одну группу.

Трафарет установлен в рамку.

 

Трафарет закрепляется между слоями рамки благодаря штырям, находящимся на нижнем слое. В файл трафарета вносятся отверстия, соответствующие расположению штырей рамки. Нанесение точного количества пасты снижает вероятность появления замыканий проводников.

Перенос пасты с помощью автоматического оборудования.

 

Паяльная паста – густая смесь, состоящая из размельченного припоя и жидкого флюса. Пример сплава припоя: 61 % олова, 37 % свинца, 2 % серебра. Свойства пасты продиктованы составляющими композиции и размерами частиц порошка припоя. Чаще, производятся пасты, не требующие отмывки после пайки, или остатки флюса смываются водой. Пасты без свинца на основе канифоли применяются значительно реже. Паста должна храниться несколько месяцев без ухудшения свойств, должна обеспечивать качественное соединение компонентов и платы, при расплавлении не должны образовываться шарики припоя. Паста должна удерживать компоненты до пайки, не растекаться при предварительном нагреве, после пайки должен оставаться минимум флюса.

Перенос пасты на плату с помощью ракеля вручную.

 

Перед нанесением пасты следует проверить совпадение отверстий трафарета с проводящим рисунком платы. Паста продавливается ракелем через отверстия. После нанесения пасты на плату трафарет чистится от остатков пасты. В результате на контактных площадках остается слой пасты, находящийся в центре контактной площадки. Ракели бывают различной конструкции и изготавливаются из резины, пластика или металла.

Дозатор пасты, управляемый электронным блоком.

 

Ручной дозатор предназначен для нанесения паяльной пасты на контактные площадки платы. Вместо использования трафарета и сопутствующего оборудования паста наносится малыми порциями по очереди на контактные площадки при помощи дозатора. При использовании дозатора затрачивается больше времени, но не всегда есть возможность разрабатывать и изготавливать трафарет. В условиях мелкосерийного производства и при изготовлении макетных образцов удобно использовать дозатор. При этом объем наносимой пасты определяется оператором или блоком управления.

Паяльная паста нанесена на контактные площадки платы.

 

Установка планарных компонентов на плату с нанесенной пастой может выполняться вручную или с помощью средств автоматизации. При ручной установке неизбежны ошибки в номиналах компонентов. Невозможно обеспечить верный и одинаковый прижим компонентов к пасте. Для исключения ошибок при сборке модулей применяют разную степень автоматизации.

Установка микросхемы с помощью полуавтомата.

 

Полуавтомат установки компонентов помогает оператору собирать электронные модули. Полуавтомат осуществляет перемещение емкости с требуемым компонентом, лучом света указывает точку установки компонента и облегчает сборку другими способами, но установка компонента выполняется оператором. Это уменьшает вероятность брака при установке. По цене полуавтоматические установщики отличаются до шести раз. Их производительность находится в диапазоне 300…1000 компонентов в час и зависит от опыта оператора.

Установка компонентов полным автоматом.

 

Полные автоматы используются в стабильно работающем производстве при выпуске больших партий модулей. Цена полного автомата определяется конфигурацией и функциями: поддерживаемые виды питателей, техническое зрение, разрешающая способность установки, темп работы, число головок и другие. Цена полного автомата составляет десятки тысяч долларов.

Бесконтактная пайка. Для надежного соединения пайка должна занимать минимальное время при высоком смачивании поверхностей. Для этого нужны активные флюсы, не вызывающие коррозию. Противоречие между производительностью и надежностью можно разрешить при переходе к бесконтактным технологиям пайки. Это связано с необходимостью увеличения теплопроводности, которая выше у излучения. Использование бесконтактных технологий пайки способствует сокращению времени нагрева. Бесконтактная пайка исключает внесение примесей в припой. Исключается повреждение компонентов статическим электричеством.

Расплавления пасты можно выполнять с помощью горячего воздуха, инфракрасного излучения, кварцевого нагрева и их комбинацией. Все большее распространение получает пайка с помощью лазерного луча. Температура соединений зависит от поглощения тепла компонентами и поверхности платы. Недостатком бесконтактных технологий пайки является зависимость нагрева области пайки от множества факторов.

Инфракрасная пайка производится в специальных печах, которые можно разделить на два класса. Кабинетные печи: плата находится в печи неподвижно. Конвейерные печи: плата на конвейере перемещается через все зоны с различной температурой. Все чаще применяется пайка в инертном газе для снижения окисления.

Печь для расплавления паяльной пасты кабинетного типа
инфракрасного излучения с принудительной конвекцией воздуха.

Для выполнения инфракрасной пайки предназначены печи, различные по конструкции, в основном, конвекционного типа. В таких печах нагрев платы и компонентов происходит интенсивным инфракрасным излучением, одновременно горячий воздух подается на платы и обеспечивает равномерный прогрев. Печь должна выдержать требуемый режим нагрева платы. Для правильного расплавления пасты недостаточно требуемой температуры. Под воздействием температуры в пасте происходит расплавление частиц припоя, флюс растворяет оксидную пленку на соединяемых поверхностях. Должно происходить поэтапное нагревание платы до точки расплавления и охлаждение по программе, записанной в памяти контроллера печи. Это предотвращает компоненты от термоудара и плату от коробления, улучшает прочность соединения.

Недостатком печей является вибрация плат под действием интенсивного движения воздуха. Постоянное снижение габаритов электронных приборов приводит к сокращения размеров плат. Чем меньше плата, тем сильнее она подвержена перемещению воздушным потоком. В момент расплавления пасты компоненты плавают на поверхности расплавленного припоя и незначительной вибрации платы достаточно для смещения компонента или выпадения с платы. Потоки воздуха внутри печи движутся с различной интенсивностью. При изготовлении партии вся решетка занята платами и от загрузки к загрузке платы в одной и той же области печи вибрируют и лишаются компонентов. Изготовить оснастку для фиксации плат невозможно. Применить металл в условиях инфракрасного излучения нельзя – неизбежен перегрев плат в точках фиксации. Требуется керамика. Изготовление керамической оснастки для каждого вида плат дорого.

Пайка с помощью луча лазера является наиболее перспективной из всех технологий пайки. Первая промышленная установка была создана в США в 1976 году с использованием газового лазера, а в 1982 году с использованием твердотельного лазера. Сегодня лазерная пайка более других технологий приблизилась к идеальной пайке. Благодаря концентрации мощности лазерным лучом в области диаметром около 0,1 мм, стало возможно паять компоненты чувствительные к нагреву и исключить коробление плат. Метод подходит для модулей с плотным расположением компонентов, у которых малое расстояние между выводами. При монтаже не образуются замыкания и шарики припоя. Отсутствие инерционности воздействия излучения позволяет вести нагрев импульсами малой длительности 1…10 мс и точно дозировать энергию. Имеется высокая стабильность температурно-временных режимов. Время непрерывной пайки составляет 0,3…0,8 с, температура 220…250 °С. Время импульсной лазерной пайки составляет 0,02…0,08 с, температура 250…300 °С. Изменяя энергию лазерного луча передаваемую в область пайки можно изменять температуру в широких пределах. Охлаждение при импульсной пайке происходит быстрее, чем при непрерывной пайке. Кратковременное воздействие луча лазера уменьшает окисление. Не требуется предварительный подогрев платы, что является большим преимуществом по сравнения с пайкой волной. Припой быстро расплавляется, смачивает поверхности и заполняет зазор, быстро остывает, что способствует хорошему соединению. Не требуется специальная газовая среда. Не требуются термостойкие клеи для двустороннего монтажа. Пайки имеют глянцевую поверхность и отличаются высоким качеством. Технология лазерной пайки позволяет создавать полные автоматы. Появляется возможность проводить селективную пайку, при которой отдельные компоненты устанавливаются позднее. Производительность монтажа может до 2000 паек в час.

Недостатком, сдерживающим распространение лазерной пайки, является цена оборудования. Также сдерживает распространение потребность в новых флюсах и способах их дозирования.

Лазерное излучение обеспечивает возможность прецизионной пайки планарных компонентов. Для пайки планарных компонентов применяют лазерные диоды и световоды.

Проводятся исследования по совершенствованию лазерной пайки. Возможности этой технологии далеко не исчерпаны и есть основания ожидать знакомства с новыми гранями лазерной пайки. Известно увеличение активности поверхностей при импульсном лазерном воздействии. Ведется разработка пайки без флюса с применением модулированного лазерного излучения. Подъем производительности возможен при раздвоении луча или в результате применения методов для направления излучения на все соединения, относящиеся к одной микросхеме или на всю плату. Есть перспективы применения лазерной пайки при смешанном монтаже.

Двусторонний поверхностный монтаж можно выполнять различными способами. Проблема заключается в том, что если нанести пасту на обе стороны, поставить компоненты и расплавить пасту, то делать этого нельзя. Компоненты на нижней стороне отвалятся. Поэтому вначале наносится паста и клей на одну сторону платы и устанавливаются компоненты. Затем производят оплавление пасты и полимеризацию клея. Плата переворачивается, наносится паста и устанавливаются компоненты на вторую сторону платы, после чего опять производится нагрев и расплавление пасты на второй стороне.

 

СМЕШАННЫЙ МОНТАЖ

 

Поверхностный или выводной монтаж в чистом виде сейчас встречается очень редко. Платы с планарными компонентами содержат провода или разъемы в выводных корпусах, а модули собранные преимущественно из выводных элементов содержат микросхемы в планарных корпусах. Стремление изготавливать электронные модули из одних планарных компонентов требует перестройки производства и внедрения не только нового оборудования, но и совершенно новых стандартов контроля соблюдения требований технологии. Переход производства от выводного монтажа к поверхностному возможен только через выпуск модулей, собранных по технологии смешанного монтажа.

Поверхностный монтаж предъявляет новые требования к разработке печатной платы, что усложняет разработку. Отсутствие в поверхностном монтаже отверстий имевших место в выводном монтаже теперь выливается в огромное количество переходных отверстий с одной стороны платы на другую. Выводной монтаж пропагандируется как технология, снижающая расходы на сверловку отверстий под выводы. А в тоже время появляется необходимость в сверловке переходных отверстий. Если раньше при разработке платы переход с одной стороны на другую происходил благодаря отверстию для вывода компонента, то теперь нужно при разработке платы вводить переходное отверстие. Трассировка платы получается сложнее, для такой работы требуется опытный разработчик.

Применение сбалансированного смешанного монтажа позволяет использовать лучшие компоненты из выводных и планарных и разработать хорошую плату, дающую наилучшие электрические свойства модуля.