81. Пайка одиночной и двойной волной припоя.
Технология пайки играет ключевую роль в обеспечении надежности РМ. Задача качественной пайки приобрела особенную актуальность при широком переходе на миниатюрные КПМ. Решение этой задачи в большой степени определяется способом пайки.
Для монтажа компонентов применяют пайку электропаяльником, пайку паяльными станциями, пайку одиночной волной и двойной волной припоя, парофазную пайку, лазерную пайку, пайку ИК излучением, конвекционную пайку, селективную пайку мини-волной и др.
Каждый способ пайки характеризуется своими технологическими возможностями, достоинствами и недостатками, исходя из которых необходимо принимать решение о целесообразности его применения. При выборе способа пайки следует учитывать два фактора:
-конструктивное исполнение РМ (расположение компонентов на ПП, плотность монтажа);
-размеры и материалы корпусов компонентов, допустимые их тепловые перегрузки.
С учетом этих факторов и сведений, приведенных в учебнике /9/ и в учебном пособии /1/, рассмотрим способы пайки.
Пайка паяльником. Обычный паяльник до сих пор используется для монтажа компонентов. Главный недостаток паяльника - невозможность получения идентичных по качеству паяных соединений.
Пайка паяльными станциями. По существу паяльные станции с контактным нагревом представляют собой усовершенствованный паяльник. Область применения паяльных станций – единичное, опытное и мелкосерийное производство.
Пайка одиночной волной припоя. Автоматизированные установки (линии) пайки одиночной волной припоя, кроме модуля пайки, оборудованы модулями пенного или волнового флюсования, сушки флюса, подогрева ПП, воздушным ножом, устройствами управления конвейером.
Способ пенного флюсования может быть использован для нанесения флюса на поверхность ПП без металлизированных монтажных отверстий, поскольку он не обеспечивает смачивание жидким флюсом труднодоступных поверхностей. При наличии в ПП металлизированных монтажных отверстий применяют способ волнового флюсования, позволяющий наносить флюс на все монтажные поверхности. Проникновение флюса в узкие зазоры между поверхностями монтажных отверстий и выводами компонентов происходит под действием избыточного давления, создаваемого волной флюса, и капиллярных сил.
Тепловая обработка собранных РМ, предшествующая пайке, протекает в две стадии. Первая стадия – нагрев ПП до температуры 80-100 С с целью удаления из флюса растворителя с низкой температурой кипения. Флюс должен быть полностью высушен для того, чтобы пайка не сопровождалась кипением остатков растворителя и связанным с этим процессом выделением газов и паров, вызывающих вытеснение припоя с паяемых поверхностей и газовую пористость паяных соединений.
Во время второй стадии РМ нагревают с достаточно большой скоростью до температуры 120-150 С для снижения теплового удара во время пайки и дополнительного аккумулирования тепла, способствующего сокращению времени требуемого прогрева участков ПП волной припоя.
Воздушный нож способствует предотвращению образования перемычек между металлическими элементами ПП. Нож располагается сразу же за участком прохождения волны припоя и включается в работу, когда припой находится еще в расплавленном состоянии на плате. Узкий поток нагретого воздуха, движущийся с высокой скоростью, уносит с собой излишки припоя, тем самым разрушая перемычки.
В модулях пайки формируют различные типы волн припоя /1.9/. На рис. 3.8 изображена схема процесса пайки двусторонней волной.
Рис.3.8. Схема взаимодействия печатной платы и припоя при двусторонней волне
На рис. 3.8 введены следующие обозначения: Vк – скорость движения конвейера с установленной на нем ПП; точка А – фронт начала контактирования ПП с припоем; точка В – фронт выхода ПП из припоя; отрезок АВ – ширина растекания припоя на поверхности ПП; VА и VВ – векторы скорости фонтанирования припоя в точках А и В; VАП и VВП – продольные составляющие скорости фонтанирования; β – угол наклона конвейера.
В точке А начинается разогрев выводов компонентов и ПП и происходит вытеснение флюса из зоны пайки. При постоянной температуре припоя скорость движения конвейера и ширина растекания припоя определяют максимальную температуру ПП. В точке В осуществляется формирование паяного соединения, при этом масса припоя на контактной площадке и форма соединения зависят от силы инерции припоя, обусловленной скоростями VК и VВП. При определенных значениях VК и VВП сила инерции может оказаться достаточной для перемещения элементарных масс припоя по направлению движения ПП в такой степени, что в процессе его остывания возможно образование перемычек между соседними контактными площадками.
Если по соображениям обеспечения заданной производительности VК не может быть снижена, то для повышения разрешающей способности пайки двусторонней волной уменьшают скорость фонтанирования припоя путем увеличения β и крутизны волны, т.е. сводят к минимуму величину VВП.
Для увеличения крутизны волны и предотвращения окисления припоя используют теплостойкие защитные жидкости. Защитная жидкость, подаваемая на волну, снижает поверхностное натяжение припоя и тем самым увеличивает крутизну волны. Наиболее часто применяют масляные и кремний-органические жидкости. Технологическими являются водорастворимые жидкости, например, жидкость состава, %: сополимер окиси этилена с окисью пропилена – 88; тиодифениламин – 2; олеиновая кислота – 5 и синтанол ДС-10 – 5.
Конструкция сопла играет большую роль в получении оптимальных значений VАП и VВП. Рациональным является сопло, формирующее так называемую лямбда-волну (рис.3.9).
В точке А поток припоя движется с относительно большой скоростью, в связи с чем создаются хорошие условия для удаления флюса и смачивания электромонтажных элементов ПП. В точке В профиль волны такой, что
Рис.3.9. Схема пайки лямбда-волной припоя: 1 – печатная плата; 2 – сопло; 3 – припой; 4 – ванна
достигается нулевая относительная скорость при разделении поверхностей ПП и волны припоя. Постепенное увеличение угла между ПП и поверхностью припоя после точки В уменьшает образование перемычек, сосулек и наплывов припоя. Лямбда-волной припоя паяют выводы компонентов, расположенных на односторонних, двусторонних и многослойных платах. Производительность пайки лямбда-волной в два-три раза превышает производительность пайки симметричной волной. Благодаря этому достоинству способ пайки лямбда-волной припоя применен в ряде автоматизированных линий, например в линиях, выпускаемых фирмой Electrovert (Канада). Линии пайки этой фирмы имеют такие основные технические характеристики:
- высота лямбда-волны, мм, 13 и 18;
- угол наклона конвейера, град.: постоянный – 6, переменный в пределах 0-8;
- скорость движения конвейера, м/мин., не более 6.
Пайка
двойной волной припоя. Когда впервые
появились РМ с КПМ, их монтаж, как и КМО,
производился одиночной волной припоя.
Было выяснено, что при одной волне припоя
возникают непропаи элементов КПМ из-за
теневого эффекта, вызываемого тем, что
взаимодействующая с припоем поверхность
РМ имеет значительную рельефность,
поскольку на ней размещены КПМ. В
результате этого перемещение РМ с
определенной скоростью относительно
волны припоя приводит к образованию с
тыльных сторон КПМ теневых зон (зон, не
смачиваемых припоем). Теневые зоны
образуются не только самими КП, но и
соседними близко расположенными
компонентами (рис.3.10).
1
Рис.3.10. Схема проявления теневого эффекта при пайке КПМ волной припоя: 1 – печатная плата; 2 – контактная площадка; 3 – КПМ; 4 – электромонтажный элемент КПМ; 5 – волна припоя; 6 – теневая зона
Потребовалось изменение ТП пайки путем введения второй волны. Первая волна узкая и турбулентная смачивает припоем электромонтажные элементы, расположенные на фронтальных и тыльных торцах КПМ, а вторая ламинарная и пологая волна удаляет излишки припоя и завершает формирование галтелей.
Пайка двойной волной припоя используется в технологии смешанного монтажа. На поверхности ПП, контактирующей с волной припоя, предпочтительным является размещение простых КПМ, выдерживающих воздействие расплавленного припоя.