Пайка расплавлением дозированного припоя лазером

Пайка расплавлением дозированного припоя с помощью лазерного излучения отличается от всех вышеописанных способов пайки тем, что все места соединений выводов компонентов с контактными площадками платы прогреваются последовательно, а не одновременно. Для нагрева соединений применяются твердотельные лазеры (на алюмоиттриевом гранате) либо газовые лазеры (на CO₂). Главное достоинство лазерной пайки заключается в том, что пучок лазерной энергии хорошо фокусируется, поэтому данный метод особенно эффективен для пайки термочувствительных компонентов и компонентов с малым шагом выводов.

Типичный модуль для такого способа пайки имеет сдвоенную паяльную головку в составе робота, работающего в декартовой системе координат. Передача лазерного пучка осуществляется по оптоволоконной линии. Разложение лазерного луча с помощью оптических зеркал делает возможной групповую пайку выводов компонента на плате одновременно по обеим сторонам корпуса или кристаллоносителя.

Присоединение золотых проводников к контактным площадкам на полиимидной пленке производится как термокомпрессионной сваркой, так и пайкой. Однако при этом недопустимо даже кратковременное превышение температуры в зоне присоединения свыше 450° С, иначе вследствие локальной деструкции поверхности происходит отслоение контактных площадок.

Для присоединения проволочных выводов из золота и меди к контактным площадкам микросборок и ячеек часто используется бесфлюсовая пайка мягкими припоями, для чего контактные площадки предварительно облуживаются.

Достоинства и недостатки каждого метода приведены в табл.4.

Таблица 4

Достоинства и недостатки методов пайки

Метод пайки	Достоинства	Недостатки
Двойной волной	Пригоден для пайки как традиционных компонентов, так и монтируемых на поверхность	Компоненты погружаются в припой Малопригоден для термочувствительных ИС Малопригоден для компонентов поверхностного монтажа с четырехсторонней разводкой выводов
Расплавление дозированного припоя в парогазовой фазе	Пригоден для плат с высокой плотностью компонентов Не требуется переворачивания платы при пайке с обратной или обеих сторон платы Высокая стабильность температуры при пайке Во время нагрева платы с компонентами отсутствуют большие температурные градиенты	Пригоден только для элементов поверхностного монтажа Необходимо дозированное нанесение припойной пасты Большой расход спец. дорогостоящих жидкостей Опасность повреждения некоторых компонентов вследствие высокой скорости нагрева Образование в процессе пайки агрессивных веществ (кислот)
Расплавление дозированного припоя с использованием ИК - нагрева	Оптимальные и управляемые скорости нагрева Регулируемый температурно – временной режим пайки Возможность пайки только с одной стороны платы. Низкий уровень опрокидывающихся компонентов в процессе пайки Низкая стоимость процесса пайки Низкие первоначальные капиталовложения	Пригоден только для элементов поверхностного монтажа Необходимо дозированное нанесение припойной пасты Неравномерное поглощение энергии ИК-излучения разными участками платы. Потребность в экранировании теплочувстви-тельных компонентов Некоторые компоненты не прозрачны для ИК-излучения
Лазерная пайка	Нагревается только припойная паста вблизи вывода компонента. Пригоден для теплочувствительных компонентов Обеспечивает высокое качество паяного соединения	Производительность 10 выводов в секунду

Контроль качества

Создание прочных паяных соединений – одна из главных проблем техники поверхностного монтажа. Экспериментально определено, что в паяных соединениях при их формировании возникают напряжения, способствующие образованию и развитию дефектов в местах пайки, приводящих к отказам изделий в процессе эксплуатации. Причин появления напряжений несколько, связаны они со свойствами контактирующих материалов, геометрией контактов, технологическими факторами, функциональной нагрузкой и условиями эксплуатации изделий.

Исследования, проведенные с применением тензодатчиков и лазерной голографии показали, что результирующая деформация паяных соединений возникает из сложной комбинации трех ее разновидностей, зависящих от циклического изменения температуры паяного соединения, и объясняется усталостью материалов в месте контактирования. Предел выносливости в условиях термоцикла можно повысить за счет увеличения толщины спая и размеров припойной контактной площадки, выступающей за пределы вывода.

Неплоскостность выводов также ухудшает прочность паяных соединений, внося дополнительный разброс в прочностные характеристики, что следует учитывать при проектировании знакомест КП и припойных покрытий для конкретной конструкции корпуса.

Для предупреждения в ЭУ дефектов, связанных с термоударами, обычно происходящими во время пайки, иногда пользуются критерием проверки сопрягаемых материалов на устойчивость к температурным градиентам.

Для разработки и организации стабильного и воспроизводимого процесса пайки необходимо постоянство температуры, состава и массы припоя в течение всего времени работы линии пайки. Это достигается применением автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУТП), объединяющей в своем составе совокупность вычислительных и управляющих устройств, устройств передачи данных приборов, датчиков и исполнительных устройств, а также программное обеспечение.

Для обеспечения требуемой прочности паяных соединений необходимо:

• оптимальное проектирование элементов КП с учетом предела выносливости конструкционных материалов, а также припойных материалов;

• применение гибких контрольно – испытательных средств для предупреждения и выявления дефектов пайки, слежения за прецизионным выполнением ТП и своевременным внесением в него коррективов при необходимости;

• учет контролепригодности ЭУ на этапе его проектирования (в том числе для тест – контроля паяемости элементов конструктивов и припойных паст до и после сборки);

• использование методик и средств диагностирования и прогнозирования условий выполнения операций в ТП, обеспечивающих бездефектность изготовления ЭУ;

• минимизация или исключение человеческого фактора в контрольных и контрольно – испытательных операциях;

• прецизионный контроль материалов ТС и программируемая аттестация перед каждым процессом формирования припойных покрытий, сборки и монтажа с помощью средств автоматического тестирования;

• внедрение средств статистического контроля (контрольных диаграмм, причинно – следственных диаграмм, Парето – анализа и др.)

Несмотря на эффективную технологию контроля процесса пайки, включая его организацию, вероятность появления дефектов все же неизбежна, и в этом случае могут быть использованы ремонтные технологические процессы, которые в свою очередь имеют определенную специфику.