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. 6.4), контактирования с припоем (отрезок АВ)и вы­хода из припоя (точка В).

Рис.6.4. Схема взаимодействия волн припоя и платы:

а– односторонняя волна; б – двусторонняя волна.

На первом этапе направление фон­танирования волны V_A способствует удалению паров флюса из зоны реак­ции (как при симметричной двусто­ронней, так и при направленной односторонней волне). На втором этапе полоса растекания припоя по плате АВ в сочетании со скоростью конвей­ера У_к определяет время пайки. При двусторонней волне это время боль­ше, что обеспечивает более полное за­полнение припоем металлизирован­ных отверстий. Увеличение времени взаимодействия, однако, повышает толщину припоя на печатных провод­никах до некоторого предела.

Окончательное формирование тол­щины слоя происходит на выходе платы из волны припоя в точке В. При этом в односторонней волне про­дольная составляющая скорости фон­танирования V_B вычитается из скоро­сти конвейера, при этом смываются излишки припоя и утончается остав­шийся слой 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 1,5-2,0 толщины с носовым козырь­ком в передней части кассеты. В дву­сторонней волне скорость V_B склады­вается со скоростью конвейера V_К и способствует образованию наплывов. Таким образом, в двусторонней волне необходимо стремиться к повышению угла наклона, увеличению крутизны волны и уменьшению скорости фон­танирования.

Односторонняя волна применялась в установке пайки АП-4, имевшей конвейер, двигавшийся со скоростью до 1,5 м/мин, и блок создания волны. Вследствие ряда недостатков эта уста­новка снята с производства. Двусто­ронняя волна используется в линии пайки ЛПМ-300 и установке TDF фирмы Hollis, имеющих скорость кон­вейера до 2,5 м/мин, пенный флюсователь, подсушку флюса.

В технологии групповой пайки электронных блоков на ПП наряду с односторонней и двусторонней пара­болической волнами применяют вол­ны других профилей (рис.6.5): пло­скую (или широкую), вторичную (или «отраженную»), дельта-, лямбда- и омега-волны.

Рис. 6.5Профили воли 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 – боль­шая 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 своим 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 термо-радиационной 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, и способствует возникновению перемычек и сосулек припоя.

Примером нового подхода к техно­логии массовой пайки волной припоя является концепция «воздушного но­жа», предложенная фирмой Hollis En­gineering (рис. 6.6).

Рис.6.6. 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 максимальную 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 Pont (США) ма­тово-зеленого 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 FM 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.6.7). В замкнутую полость /, 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 а. 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 до­полнительных блокировок от включе­ния двигателя при нерасплавленном припое.

Рис. 6.7 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, волна имеет очень небольшие разме­ры и затруднена пайка плат с обыч­ными размерами. Поэтому более рационально вводить УЗ-колебания в волну припоя, создаваемую механиче­скими нагнетателями.