Основы проектирования электронных средств Материалы к Экз ОПЭС-2014 РК-01-02 / Не для распространения Введение в технологию поверхностного монтажа

∙незначительные ограничения, накладываемые на длину ПП.

Среди недостатков, присущих технологии пайки волной, можно отметить следующие:

∙достаточно узкое технологическое окно процесса;

∙высокая стоимость технического обслуживания из-за необходимости регулярной очистки установки;

∙наладка установки требует наличия квалифицированного персонала;

∙топология ПП должна быть адаптирована под направление движения ПП через волну.

Материалы Персонал

Рис. 5.4. Факторы, влияющие на качество пайки волной

5.2. Рекомендации по проектированию ПП

Данный раздел посвящен рекомендациям концерна Philips по проектированию ПП, подлежащих пайке двойной волной. Хотя пайка волной может использоваться для некоторых типов ИС, ее не рекомендуется применять для пайки ПМИ или ПП с высокой плотностью монтажа, так как образование перемычек припоя и отсутствие смачивания может представлять большие трудности. Пайка двойной волной, специально разработанная для преодоления таких сложностей, гораздо лучшая технология, хотя даже

иона не позволяет паять ИС с малым шагом выводов (менее 0,65 мм).

ВТабл. 5.1 приводится обзор пригодности различных типов ИС к пайке двойной волной, а рекомендации по проектированию контактных площадок даны ниже.

Табл. 5.1. Пригодность различных ИС к пайке двойной волной (1 показывает, что пайка очень сложна, 4 – проста; * свидетельствует о невозможно пайки некоторых типов ИС)

111

5.2.1. Посадочное место под компоненты SO и SOJ

Расширенные контактные площадки

Рис. 5.5. Посадочное место под компоненты SO и SOJ

Табл. 5.2. Размеры посадочного места под компоненты SO и SOJ

5.2.2. Посадочное место под компоненты HTSSOP, SSOP, TSSOP и VSO

112

Табл. 5.3. Размеры посадочного места под компоненты HTSSOP, SSOP, TSSOP и VSO

113

5.2.3.Посадочное место под компоненты HTQFP, HLQFP, LQFP, MSQFP, QFP, SQFP и TQFP

Рис. 5.7. Посадочное место под компоненты HTQFP, HLQFP, LQFP, MSQFP, QFP, SQFP и TQFP

114

Табл. 5.4. Размеры посадочного места под компоненты HTQFP, HLQFP, LQFP, MSQFP, QFP, SQFP и

TQFP

5.2.4. Посадочное место под компоненты PLCC

Табл. 5.5. Размеры посадочного места под компоненты PLCC

5.3. Способы флюсования

Нанесение флюса обычно осуществляется методом пенного флюсования или распылением.

115

5.3.1.Пенное флюсование

Впенных флюсователях постоянный воздушный поток подается через аэратор – пористую трубку – во флюсовую ванну. Происходит образование пенной “шапки”, над которой транспортируется ПП.

Аэратор

Рис. 5.9. Схема пенного флюсователя

Рис. 5.10. Пенный флюсователь

Одно из основных преимуществ пенного флюсования состоит в том, что оно позволяет наносить довольно равномерный и тонкий слой флюса, а также простота отладки процесса для достижения повторяемых результатов. Кроме того, процесс прост в управлении и легко контролируется. Капание флюса в зоне предварительного нагрева устраняется использованием воздушного ножа, устанавливаемого после флюсователя.

Недостатком этого метода флюсования является необходимость постоянного контроля и корректировки плотности флюса, а также невозможность точной регулировки количества флюса, наносимого на поверхность ПП.

5.3.2. Флюсование распылением

Флюсование распылением стало наиболее распространенным методом нанесения флюса при сборке ПУ. Эта технология начала применяться с конца 1980-х гг., кода впервые в качестве альтернативных появились безотмывочные флюсы из-за запрещения использования фреона для удаления остатков флюса с ПП.

Способ распыления является предпочтительным для получения наилучших результатов, так как обладает следующими преимуществами:

∙снижает количество остатков после пайки;

∙позволяет точно контролировать толщину слоя флюса, покрывающего ПП;

∙снижает расход флюса.

116

Наиболее успешным оказалось применение флюсователей следующих типов: стационарных (в которых распылительная головка неподвижна), совершающих возвратнопоступательные движения и с ультразвуковой распылительной головкой.

Вустановках пайки волной фирмы ERSA используются флюсователи распылением

спневматической распылительной головкой, совершающей возвратно-поступательное движение. Флюсователь работает следующим образом. Когда плата находится над флюсователем, головка флюсователя с закрепленными на ней датчиками совершает возвратно-поступательное движение. При каждом движении в прямом направлении датчики производят сканирование. Если один из датчиков обнаружил плату, точки начала и окончания платы запоминаются в системе управления, и при движении в обратном направлении производится флюсование. Точки включения и выключения подачи флюса соответствуют точкам начала и окончания платы, определенным в результате хода сканирования. Ходы сканирования и флюсования повторяются до тех пор, пока плата не выйдет за пределы флюсователя.

Использование флюсователя распылением позволяет точно определить расход флюса с помощью специальной номограммы.

Рис. 5.11. Флюсующая головка флюсователя распылением

5.4.Модули предварительного нагрева

Впроцессе пайки волной предварительный нагрев имеет две следующие функции: испарение летучих компонентов флюса и активация флюса, повышение температуры ПП и компонентов в целях уменьшения термоудара при контакте с волной.

Так же, как и в печах оплавления припоя существуют системы предварительного подогрева на основе конвекции и излучения.

Популярность конвекционных систем выросла с расширением области применения флюсов на водной основе с низким содержанием летучих органических соединений (флюсов VOC-free). Конвекционные системы осуществляют принудительную подачу горячего воздуха и в большинстве случаев используются только в качестве нижних нагревательных модулей. Преимущества конвекционных систем таковы: повышенная интенсивность теплообмена и связанное с ней ускоренное испарение летучих соединений, более равномерный нагрев печатного узла.

117

Установки пайки волной с конвейерами пальчикового типа легко встраиваются в автоматические линии. Ширина конвейера может быть отрегулирована в зависимости от ширины платы. Платы в этих установках удерживаются пальчиками специальной конструкции. В установках пайки волной фирмы ERSA применяются пальчики из титана с центральной прижимной пластиной из нержавеющей стали (Рис. 5.14). Применение титана объясняется отсутствием его взаимодействия с расплавленным припоем. Конструкция пальчиковых конвейеров весьма сложна. Для удаления налипшего припоя с пальчиков необходимо предусматривать устройства очистки.

Рис. 5.14. Пальчиковый конвейер

5.6. Гидродинамика волны

Волна припоя в установках пайки волной может формироваться либо механически с помощью вращающейся крыльчатки, погруженной в ванну с припоем, либо путем использования силы Лоренца, создаваемой электрическими токами и магнитными полями. Повсеместное распространение получили установки пайки волной с механическим способом формирования волны припоя. Расплавленный припой подается в волнообразователи, которые могут иметь ту или иную конструкцию. Первая, турбулентная волна, обеспечивает проникновение расплавленного припоя между компонентами и в переходные отверстия, нагрев и смачивание всех выводов компонентов. Окончательное формирование паяных соединений, а соответственно и дефектов происходит при прохождении второй, ламинарной волны.

Как правило, ламинарные волнообразователи называют буквой греческого алфавита, форма которой приблизительно соответствует форме формирующейся волны. Существуют λ-, Ω-, δ-, Τ-волнообразователи. Необходимо иметь в виду, что качество пайки зависит в основном от правильной настройки волны, а не от конструкции волнообразователя. С другой стороны, поскольку на качество пайки оказывает влияние большое количество факторов, волнообразователей, позволяющих полностью исключить образование дефектов, не существует.

Конструкция ламинарного волнообразователя должна обеспечить наличие «мертвой» зоны, в которой припой не движется, либо движется с очень малой скоростью (Рис. 5.15). Контакт платы с волной должен происходить в «мертвой» зоне или вблизи нее. При этом верхний слой припоя должен прекратить свое движение в направлении, противоположном направлению транспортировки платы. Оксиды в «мертвой» зоне

119

должны начать двигаться в направлении транспортировки платы со скорость транспортировки. Т.е. плата должна выносить собой верхний загрязненный окислами слой припоя. Если этого по каким-либо причинам не происходит, существует опасность возникновения перемычек или «паутинки припоя» на плате.

Рис. 5.15. Гидродинамика волны

5.6.1. Волнообразователь ERSA Power Wave

Турбулентный волнообразователь традиционной конструкции формирует поток припоя в направлении транспортировки платы. Направление растекания припоя по плате при этом также приблизительно горизонтально в направлении транспортировки. Если на плате имеются высокие компоненты, то поток припоя при контакте с ними сильно отклоняется и не достигает контактных площадок. Следствием этого может быть отсутствие смачивания из-за случайным образом возникающих турбулентных завихрений, и образование зон затенения. При работе с ПМИ малых типоразмеров из-за малых размеров контактных площадок их смачивание становится все более затруднительным, что может привести к появлению значительного количества непропаев.

Чтобы избежать появления дефектов такого характера, фирмой ERSA был разработан волнообразователь, получивший название Power Wave.

Волнообразователь этого типа формирует поток припоя, направленный вертикально по отношению к плате. При этом исключается отклонение потока из-за высоких компонентов. В дополнении к этому благодаря вертикальному направлению потока обеспечивается очень хорошее проникновение припоя в переходные отверстия двухсторонних плат. Еще одним существенным преимуществом является то обстоятельство, что поток припоя может стекать по корпусу волнообразователя с двух сторон без формирования интенсивной турбулентности. Благодаря этому уменьшается контакт потока припоя с воздухом и, как следствие, оксидообразование.

120