Трафаретный метод нанесения припойной пасты.

Наиболее важным в массовом производстве печатных плат, является метод трафаретного нанесения припойной пасты, в котором паста продавливается через трафарет (окна) на контактные площадки печатной платы. Припойная паста уже содержит в себе и припой, и флюс, а их пропорция одна из важных характеристик пасты. Материалом трафарета может быть как сплав никеля, так и нержавеющая сталь. Отверстия в трафарете обычно прорезаются лазером или протравливаются.

В массовом производстве этот метод эффективен, но относительно не гибок, так как свой собственный трафарет (причем несколько) требуется для каждой платы. Гибкость достигается только за счет быстрой смены трафарета и автоматического распределения пасты. Основные этапы этого метода показаны на рисунке.

При проведении скребком по поверхности трафарета припойная паста продавливается сквозь отверстия в трафарете на контактные площадки. Наиболее важной фазой этого процесса является продвижение пасты вдоль поверхности трафарета, она должна продвигаться с правильной силой, углом и скоростью. Трафарет и скребок должны быть чистыми и паста должна иметь строго определенные характеристики для этой силы, угла и скорости. Ошибки в этих параметрах приводят к плохим характеристикам пайки, такие как непропай и другие. Практика показывает, что больше половины ошибок всего процесса сборки печатных плат приходятся именно на процесс нанесения припойной пасты. Преимуществом метода трафаретного нанесения припойной пасты является то, что паста может быть нанесена слоем до 300 мкм с очень высокой точностью. Также трафарет позволяет наносить пасту толщиной до 0,65 мм.

Диспенсорный метод нанесения припойной пасты

Довольно часто встречающимся методом нанесения припойной пасты, применяемым в штучном и мелкосерийном производстве, является диспенсорный метод, в котором используется диспенсер - шприц. На рисунке показано: 1 - крышка; 2 - давящий воздух; 3 - поршень; 4 - припойная паста; 5 - цилиндр; 6 - сопло; 7 - контактная площадка. Автоматическая дозировка осуществляется в соответствии с данными САПР при помощи сжатого воздуха. Паста поступает в виде "капель" непосредственно на контактные площадки печатной платы. Преимуществом диспенсорного метода является высокая гибкость его применения. Этим методом можно наносить пасту на контактные площадки толщиной от 0,75 мм.

Нанесение припойной пасты.

Для крепления компонентов на печатную плату используются как метод нанесения припойной пасты, так и метод проводящих адгезивов. Метод нанесения припойной пасты - это наиболее широко используемый метод установки компонентов. Проводящий адгезив сейчас не используется широко в массовом производстве, хотя он используется в изготовлении товаров общего потребления. В методе нанесения припойной пасты наносится

непосредственно на контактные площадки печатной платы. Каждый из методов требует своих специальных приспособлений и материалов.

Лекция 22. Линии для пайки в технике поверхностного монтажа. Гибкая автоматизация сборочно-монтажного производства. Роботизированные комплексы.

Процесс пайки является наиболее ответственным этапом тех­нологии поверхностного монтажа, от которого зависят надеж­ность и технические характеристики ПМ-изделий. Поверхност­ный монтаж вызвал и бурное развитие новых методов, материа­лов и оборудования для пайки, так как традиционный метод пайки волной припоя не позволил решить все проблемы группо­вого монтажа плат с компонентами, устанавливаемыми на по­верхность (проблемы пайки погружением в припой чувствитель­ных к перегреву ИМС, уменьшение расстояния между выводами и шага трассировки увеличило вероятность образования перемы­чек припоя и др.). В 1973 г. фирма «DuPont предложила метод пайки оплавлением дозированного припоя в парогазовой фазе, который позволил решить основные проблемы монтажа ПМ-изделий. Этот метод в полной мере соответствовал требованиям групповой тех­нологии. В эти годы широко применялась также технология пай­ки с помощью групповых паяльников (нагретой плитой). С 1983 г. в технологии ПМ начал широко применяться метод групповой пайки с помощью инфракрасного нагрева (ИК-пайка). В настоящее время этот метод находит все более широкое применение ввиду преимуществ, связанных с возможностями более гибкого управ­ления режимами нагрева (наличие нескольких температурных зон, возможность получения любого температурного профиля вдоль зоны пайки и др.). Для пайки чувствительных к перегреву и сложных по конструкции компонентов (с очень малым расстоянием между выводами) японскими фирмами был разработан и практи­чески реализован метод лазерной пайки. Кроме указанных выше методов, в технологии поверхностного монтажа применяются пайка обдувом нагретым воздухом и пайка двойной волной припоя. Следует отметить, что пайка оплавлением дозированного при­поя сложный физико-химический процесс, протекание которо­го определяется действием чаще всего всех видов теплообмена (конвективный, кондуктивный, радиационный), процессами испа­рения, а также свойствами применяемых материалов. Этот про­цесс в общем случае можно разделить на пять фаз:

• испарение растворителя из припойной пасты;

• активация и воздействие флюса на зону пайки;

• предварительный нагрев компонентов и платы;

• плавление припоя и смачивание им соединяемых частей;

• контролируемое охлаждение собранной конструкции до необходимой температуры.

Практическое применение новых методов пайки требует по­нимания физико-химических процессов, протекающих на каждой из указанных выше фаз, а также проведения во многих случаях экспериментальных исследований для выбора более оптимально­го метода и режимов пайки.

Общие требования к процессу и режимам пайки

Как было отмечено выше, при ПМ пайка занимает важное место, так как оказывает большое влияние на основные параметры этой тех­нологии, в частности на качество и стоимость конечной продукции.

Известно, что в общем случае долговечность паяного соеди­нения зависит от его способности сопротивляться без разрушения при повторных напряжениях, возникающих в процессе испыта­ний готовых изделий.

Если в традиционном монтаже в отверстия качество паяного со­единения обеспечивается также и механическим креплением выводов ЭРЭ, то при ПМ под высоким качеством пайки следует понимать, прежде всего получение «упругих» мест пайки (рис.1), в которых высота гантели припоя на торцах и выводах компонентов не должна превышать 2/3 высоты корпуса.

Избыток припоя будет способство­вать также смещению компонента во время пайки из-за возникающих результирующих моментов, схема которых показана на рис. 2. По­этому важным требованием, предъявляемым к процессу пайки, явля­ется обеспечение упругих паяных соединений и их повторяемости в технологических циклах производства ПМ-изделий.

Проведенные рядом фирм исследования позволили устано­вить соотношения между размерами контактной площадки и объ­емом припойной пасты, обеспечивающие образование упругой формы соединения.

Повторяемость же результатов пайки зависит от стабильности технологических режимов пайки, конструктивных размеров элементов монтажа, свойств применяемых материалов.

Рис. 1. Виды паяных соединений ПМ-компонентов

Рис. 2. Моменты сил, возникающие при неупругом и упругом соединении: а - неупругое соединение; б — упругое соединение

Рис. 3. Типовой температурно-временной профиль

процесса пайки в парогазо­вой фазе.

Значительное влияние на качество пайки оказывает температурно-временной профиль процесса. Как видно из рис. 3—5, основные методы оплавления припоя (в парогазовой фазе, ИК-нагрев и обдувом нагретым воздухом (принудительной конвекцией)) обеспечивают различные температурно-временные диаграммы нагрева. Поэтому температурно-временной профиль процесса пайки должен быть обоснованно определен (исходя из конструк­тивных особенностей ПМ-изделия, применяемых материалов и др.) до выбора метода и оборудования для пайки.

Рис.4. Типовой температурно-временной профиль процесса ИК-пайки

Рис. 5. Типовой температурно-временной профиль процесса пайки принуди­тельной конвекцией

Как видно из приведенных зависимостей, в общем случае процесс оплавления припоя можно разделить на три фазы: пред­варительный нагрев, оплавление и охлаждение. Фаза предвари­тельного нагрева создает благоприятные предпосылки для каче­ственного оплавления припоя. В частности, во время этой фазы происходит равномерный нагрев до требуемой температуры пла­ты и компонентов, испарение растворителя из припойной пасты, удаление оксидных пленок за счет действия флюса и расплавле­ние частиц припойной пасты. Непосредственно фаза оплавления припоя протекает при температуре, превышающей температуру плавления применяемого сплава, что обеспечивает снижение сил поверхностного натяжения припоя, увеличение смачиваемости соединяемых поверхностей. Время выдержки изделия при этой температуре оказывает существенное влияние на качество пайки. Длительность и температурный профиль фазы охлаждения также влияют на свойства паяного соединения, в частности, на этой фа­зе формируются требуемая зёренная структура сплава (должна формироваться мелкозернистая структура) и уровень остаточных напряжений. Рекомендуемый режим охлаждения — 1-2 °С/с, хотя могут применяться охлаждения со скоростями до 5 °С/с.

На выбор температурно-временного профиля пайки оказыва­ет влияние и материал платы. В частности, высокоскоростной нагрев может привести к появлению трещин в слоистом материа­ле платы и отслоению металлизации. Необходимо учитывать так­же и допустимую температуру нагрева материала, выше которой происходит резкое изменение его свойств , в частности, материал становится пла­стичным и сама плата теряет жесткость. Для каждого материала эта температура известна (для стеклоэпоксида — 120-130 °С) и является основой для выбора температурно-временного профиля. Установлено, что значительного изменения свойств материала не наблюдается при превышении этой температуры в течение 120 с.

Температурно-временной профиль процесса пайки оказывает также влияние на действие флюса. В этом отношении необходимо учитывать две характеристики: температуру активации флюса и время, необходимое для активации флюса. Флюс должен быть активированным в течение времени, достаточного для растворе­ния оксидных пленок с контактных площадок, выводов компо­нентов и припойной пасты. В идеале эти процессы должны за­вершиться до начала полного расплавления припоя. Установлено, что для большинства применяемых флюсов температура актива­ции составляет 110-120 °С, требуемое время активированного состояния от 30 до 90 c.

При основной фазе плавления температура нагрева припоя должна на 25-40 °С в течение 20—60 с превышать температуру плавления. Это, как отмечалось выше, обеспечивает качественное смачивание поверхностей соединяемых деталей. При выборе температурно-временного профиля необходимо учитывать также и допустимые температуры нагрева компонен­тов, особенно активных. Большинство таких компонентов могут подвергаться без разрушений воздействию температур 210-220 °С в течение 20-60 с. Более точные допустимые температурные воз­действия должны оговариваться в технических условиях на ком­поненты.

Критичны к высокоскоростным тепловым воздействиям и ПМ-конденсаторы, в которых тепловой удар может вызвать появ­ление трещин и отслоение металлизации. Рекомендуемая ско­рость изменения температуры при пайке конденсаторов составля­ет не более 2 °С/с. Хотя уже имеются конструкции, выдерживающие без разрушения нагрев/охлаждение со скоростью 3-6°С/с .

Высокоскоростной нагрев может вызвать и разрушение кор­пусов ИМС, в частности, из-за расширения и выделения содер­жащейся в материале влаги. Для предотвращения этого явления применяется тщательная предварительная очистка и сушка кор­пусов.

Важное значение для выбора времени активации флюса имеет качество очистки от загрязнений и оксидных пленок выводов компо­нентов.

Пайка с использованием волн припоя (ПВП).

ПВП одной из первых применялась на ранних стадиях появления ТПМ и в основном при реа­лизации смешанных вариантов сборки и монтажа изделий . На практике было установлено, что качество паяных соединений в значительной степени определяется геометриче­скими размерами волны, скоростью истечения и другими ее характери­стиками . В первых образцах оборудования для ПВП использо­валась симметричная волна, при этом расплавленный припой распро­странялся горизонтально вдоль платы, что приводило к образованию в процессе пайки множества дефектов (наплывы припоя, непропаи, не­равномерное смачивание припоем мест контактирования и др.). Созда­ние однородного управляемого вертикального потока асимметричной волны позволило значительно улучшить качество пайки. Но по мере повышения плотности монтажа возрастает и вероятность возникновения перемычек между проводниками при пайке, так называемое "шунтирование элементов". Для избежания этого сразу после ПВП, когда припой еще находится в расплавленном состоянии, стали применять специальный дешунтирующий нож, направляющий струю горячего инертного газа в место пайки с целью удаления излишков припоя. В настоящее время такое приспособление (а иногда и несколько приспо­соблений) используют для разнообразных очисток плат после ПВП.

Совершенствование оборудования и приспособлений (в частности сопел) для ПВП способствовало получению управляемой селективной высокоскоростной волны припоя (скорость движения 90 см/с), которая не оставляла перемычек между проводниками, расположенными с про­межутками 0,2 - 0,3 мм. В этом случае волна формировалась с помощью специальной щели и магнитного поля, направленного вертикально по отношению к поверхности припоя, поэтому амплитуда волны, а следо­вательно, и высота пайки регулировались автоматически.

Однако при увеличении плотности и разнообразия размещения ПМК типичными дефектами ПВП становятся непропаи (вследствие эк­ранирования корпусом компонента места пайки и передозировки припоя (рис.6)). Выделение газообразных продуктов взаимодействия флюса с припоем и паяемыми материалами также ухудшает качество пайки (га­зообразные продукты могут захватываться волной и в дальнейшем по­падать в места паек, образуя раковины и непропаи, а также препятствуя равномерному дозированию припоя). Поэтому преобладающей становится ПДВП (рис.2) с регулируемыми скоростью истечения припоя, амплитудой и шириной волн, температурно-временным режи­мом, составом и уровнем припоя в ванне, а также скоростью движения конвейера. Параметры волн подбираются таким образом, чтобы первая волна (узкая, высокая, скоростная и турбулентная) обеспечивала полную смачиваемость припоем всех монтируемых соединений на пла­те, а вторая (финишная, широкая, низкая, ламинарная, с малой скоро­стью истечения) удаляла излишки припоя, вынося их в общий поток (рис.7,а) и предотвращая наплывы и затекания припоя. Наклон конвейерной ленты с монтируемыми изделиями под углом 7-10° обес­печивает лучшее смачивание припоем мест пайки. На рис.7,6 приведен рекомендуемый температурно-временной режим всего цикла микроконтактирования.

Рис.6. Типичные дефекты пайки волной припоя: а - непропаи из-за эффекта ''затенения"; б - передозировка припоя из-за неоптимального проектирования КП. 1 - направление движения фронта волны припоя; 2 - КП; 3 - компонент типа SO ; 4 - клеевая капля, фиксирующая компонент; 5 - направление движения КП; 6 - чип-компонент; 7 - наплывы избыточного припоя, 8 - перемычка избыточного припоя, замыкающая компоненты

Рис.7. Схема реализации процесса пайки двойной волной припоя (а) и ее типичный температурно-временной режим (б): I - турбулентная, скоростная. узкая. высокая первая волна припоя: 2 - ламинарная, плавная, широкая, низкая вторая волна припоя; 3 - КП; 4 - ТМК: 5 - ПМК: 6 - дешуитирующий нож; 7 - струя горячего инертного газа: 8 - направление движения КП; 9 - подача припоя; I - этап предварительного нагрева; II - этап окончательного нагрева: III - этап пайки: IV - этап охлаждения

Рис. 8. Технологические рекомендации по проектированию знакомест ИС (а) и ориентации ПМК (б) на КП для пайки двойной волной припоя: 1 - знакоместо корпуса типа SOIC; 2 - технологические контактные площадки. (ловушки припоя); 3 - направление движения фронта волны припоя; 4 - КП; 5 - направление движения КП; 6 - корпус типа SOIC; 7 - корпус типа PLCC; 8 - корпус типа SOT; 9 - чип-компонент

При полном переходе к ТПМ ПДВП представляется малоэффек­тивной, особенно в случае монтажа компонентов с I-, J-образными и планарными выводами корпусов (при шаге выводов менее 1,0 мм), а также безвыводных кристаллодержателей. Кроме того, для всех раз­новидностей волновых паек качество паяных соединений зависит от размеров и конфигурации контактных площадок, на которых осуществляется пайка, что следует учитывать при проектировании. Для улучшения качества ПДВП рекомендуется:

- использовать предварительный подогрев при температуре 80-130 °С (уменьшает термоудар монтируемого изделия и устраняет разбрызгивания припоя);

- применять автоматизированные модули пайки со встроенным дешунтирующим ножом и средствами контроля необходимых парамет­ров;

- тщательно подбирать параметры технологической среды, особенно для первой волны припоя с учетом типа и количества выводов ПМК;

• для улучшения смачиваемости паяемых соединений припоем, флюсование следует выполнять с применением смеси флюса с изопропанолом;

• для уменьшения шлакообразования и снижения поверхностного натяжения припоя во время пайки в ванну с припоем можно добавлять специальные масла (пальмовое и др.) либо мраморные шарики (диамет­ром не более 20 мм), однако их содержание должно быть строго контро­лируемым;

• на этапе разработки КП учитывать специальные правила проек­тирования для ПДВП: на КП должны быть, технологические отверстия для отвода газообразных продуктов пайки, а также технологические площадки (ловушки припоя) в конце знакоместа, "затягивающие на себя" излишки припоя (рис.8,а); длина контактных площадок, высту­пающих за пределы выводов ПМК, должна быть минимальной во избе­жание растеканий припоя между выводами; должно быть предусмотре­но конформное покрытие; размещение ПМК по отношению к движу­щейся волне должно соответствовать указанному на рис.8,6;

• каждая волна должна иметь отдельные сопла, насос и блок управ­ления, а также средства контроля ее параметров;

• для снижения растворимости материалов выводов ПМК и контакт­ных площадок КП припоем в ванну следует добавлять 1 - 2 % меди, если материалы выводов ПМК не содержат никелевый барьерный слой.

Пайка оплавлением дозированного припой в парогазовой среде

(конденсационная пайка).

Способ пайки оплавлением дозированного припоя в парогазовой среде (ПОДП в ПГС) обеспечивает равномерный нагрев и оплавление всех мест пайки одновременно, независимо от гео­метрии ПМК, КП и контактных площадок на ней. Этот способ высокопроизводителен и в настоящее время не более дорогостоящ, чем ПДВП.

ПДВП в ПГС осуществляется в парах жидкости-теплоносителя (фреона), нагретой до температуры кипения, обычно равной 215 °С. Плата с установленными и зафиксированными на ней компонентами (как монтируемый объект) помещается в рабочую зону контейнера (рис.9,а,б) и предварительно нагревается. Далее объект перемещается в зону насыщенного пара кипящего фреона, где температура объекта повышается до 215 °С. Пар в этом случае вытесняет из контейнера воз­дух (препятствуя тем самым окислительным процессам во время пайки), затем обволакивает объект и начинает конденсироваться на его поверх­ностях, отдавая при этом скрытую теплоту парообразования. Благодаря тепловому равновесию между жидкостью (теплоносителем) и ее паром, температура всей системы сохраняется постоянной без применения тер­морегуляторов. Припой (в составе припойной пасты, предварительно сформированной на КП), находящийся в зоне насыщенного пара фрео­на, расплавляется и образует паяные соединения. Скорость передачи тепла при ПОДП в ПГС можно представить как , где к - коэффициент теплопередачи, который определяется коэффициентом теплопроводности, коэффициентом вязкости и плотностью конденси­рующегося пара; А - площадь поверхности объекта, принимающего те­пло; Т_п и Т₀ - температура соответственно пара (как источника тепла) и нагреваемого объекта.

Если сравнить температурно-временной режим для ПДВП (см. рис.7,6) и для ПОДП в ПГС (рис.9,в), то можно видеть, что в по­следнем случае плата с ПМК большее время, чем при ПДВП, находится в условиях температуры 205 - 215 °С со скоростью ее изменения при­мерно 4 °С/с, хотя ПДВП проводится при большей температуре (около 230 °С). Для определения влияния температуры к скорости ее изменения на надежность ПМК были проведены испытания, при которых такие компоненты подвергались тысячекратному воздействию скачкообразно меняющейся температуры (за каждые три секунды в пределах от 150°С до -65 °С). Скорость изменения температуры при этом составляла 70 °С/с. После проведения 100 циклов испытаний отказов не наблюда­лось, дальнейшие испытания показали менее 0,5 % отказов. На основа­нии проведенных испытаний была определена область безотказной работы ИМК для жёстких (с более чем 10-кратным запасом) условий испытаний. Нижняя граница этой области проходит выше рабочих температур ПДВП и ПОДП в ПГС, и в то же время опасность повреж­дения ПМК, например при 215 °С со скоростью изменения температуры 70 °С/с, может наступить только после 40 мин испытаний их на устой­чивость к термоциклам, что позволило сделать вывод о пригодности ПДВП и ПОДП в ПГС для микроконтактирования в ТПМ (с точки зре­ния безотказной работы ПМК).

При общем рассмотрении ПОДП в ПГС в сравнении с другими способами пайки просто реализуемый прецизионный процесс, в сущ­ности представляющий собой равновесную систему (температура источ­ника тепла и объекта пайки одинаковы), способную самоустанавливать­ся и самостабилизироваться (с высокой точностью выдерживания тем­пературного режима пайки) при групповом двухстороннем монтаже на КП (из разных материалов и различной геометрической формы) любых конструкций ПМК, осуществляемом в бескислородной высокочистой, химически инертной, негорючей технологической среде, что может быть использовано для организации робастной технологии. Однако практика показала, что для этого требуется решить ряд весьма проблематичных задач, касающихся самого метода реализации конденсационной пайки в негерметичных системах. В частности, избежания утечки пара дорогого теплоносителя, а также появления паров воды и различных загрязнений в составе технологической среды во время пайки (в противном случае возможно термическое разложение теплоносителя, что может в свою очередь вызвать коррозию и другие дефекты паяных соединений) .

Поэтому совершенствование технологического оборудования для ПОДП в ПГС направлено на разрешение этих проблем.

Во избежание потерь теплоносителя радикальным средством счи­тается использование двухпаровых систем пайки (см. рис.9,6), в ко­торых дешевый низкомолекулярный фреон с меньшей температурой кипения, чем основной (рабочий) теплоноситель, создает верхнюю за­щитную паровую зону, предотвращающую утечку пара рабочего фреона. Разработка двухпаровых систем потребовала усложнения технологиче­ского оборудования для пайки как за счет увеличения числа контроли­руемых параметров, так и вследствие потребности в системе нейтрали­зации кислот, вероятность образования которых на границе двух парога­зовых сред существенно возрастает по сравнению с одной ПГС. Вместе с тем применение защитной ПГС является не единственным способом минимизации потерь дорогостоящего рабочего теплоносителя (и соответственно уменьшения затрат на его приобретение и избежания экологических проблем). В современных промышленных технологических установках ПОДП в ПГС периодического и непрерывного действия используются усовершенствованные системы вентиляции (с регулируемой скоростью оттока воздуха из рабочей зоны) и конденсации (соответственно улавливающие и конденсирующие пары теплоносителя и возвращающие их в рабочую зону), а также системы рециркуляции жидкости-теплоносителя, низко располагаемые (по отношению ко входу и выходу конвейерной ленты) рабочие паровые зоны и другие средства, которые в комплексе позволяют свести к минимуму утечки фреонов (рис.10).

Появление инородных веществ в составе технологической среды (ТС) может происходить из-за неконтролируемого изменения относительной влажности в производственной среде и выделения летучих веществ из материалов конструктивов объекта производства во время пайки. Влажность воздуха производственной среды должна поддерживаться в определенных пределах. При низких значениях влажности происходит электризация и слишком быстрое высыхание припойной пасты, а также ускоряются процессы окисления частиц припоя. При повышенной влажности происходит насыщение парами воды материала КП, что приводит к ее короблению в процессе нагрева и десорбции паров воды в ТС. Повышенная влажность влияет также на вязкость припойной пасты, что, в свою очередь, изменяет толщину слоя пасты, осаждаемого на контактные площадки. И, наконец, из-за высокой гигроскопичности припойные пасты легко впитывают влагу, что приводит к образованию шариков припоя и разбрызгиванию пасты в процессе ее оплавления вследствие быстрого испарения содержащейся в ней влаги. Рядом экспериментов установлено, что оптимальное значение относительной влажности воздуха производственной среды при монтаже ЭУ в ТПМ с использованием ПОДП в ПГС лежит в пределах 35-45 % .

Большинство используемых в составе припойных паст флюсов растворяются жидкостями-теплоносителями. Растворимость лежит в пределах от 0,02 до 0,38 %. Излишки флюса, попав в жидкость, накапливаются до точки насыщения, выше которой образуется эмульсия с содержанием капель флюса. Эти капли довольно быстро оседают на поверхности нагревателя и стенках оборудования. Наибольшие проблемы создает флюс, осевший на нагревателе. С увеличением толщины слоя осевшего флюса ухудшается тепловой контакт нагревателя с жидко­стью; для обеспечения нормальной работы установки приходится по­вышать температуру нагревателя, что приводит к частичному обуглива­нию флюса. По мере увеличения толщины слоя флюса возрастает тре­буемое для поддержания нормальной температуры жидкости количества тепла. В конечном счете, нагреватель покрывается толстым пористым слоем сгоревшего флюса, при этом температура может возрасти до та­кой степени, что приведет к расплавлению нагревательного элемента. Образующаяся на поверхности нагревательного элемента корка имеет пористую структуру, через которую жидкость легко проникает к по­верхности перегретого элемента.

Используемые в конденсационной пайке фторуглеродистые жидко­сти имеют высокую температурную стабильность, однако они являются органическими соединениями и разлагаются при чрезмерном нагреве. Такое разложение происходит при соприкосновении с перегретым на­гревательным элементом, а продуктами разложения являются низкомо­лекулярные газы, такие как перфторизобутилен и фтористый водород, которые нежелательны для процесса пайки, первый - вследствие опас­ности для здоровья обслуживающего персонала, второй - как высококоррозионно-активное вещество.

Одним из эффективных способов избежания термического разло­жения теплоносителя является его фильтрация с применением как ми­нимум двух фильтров и системы автоматической очистки фильтров, степень которой зависит от количества попадающего в жидкость флюса. Новейшие установки ПОДП в ПГС снабжены системами непре­рывной фильтрации (см. рис.10), которые имеют преимущества перед использовавшимися ранее, когда приходилось на некоторое время оста­навливать установку для очистки фильтров и удаления скопившегося флюса.

Рис.9. Устройство контейнера для ПОДП в ПГС с однопаровой зоной (а), двухпаровой зоной (б) и температурно-временные режимы полного цикла ПОДП в ПГС (в) для крупногабаритных ПМК на КП (…. ), большинства корпусированных и бескорпусных ПМК (- - -) и многовыводных кристаллодержателей ( — ): 1 - корпус контейнера; 2 - подача КП с ПМК; 3 - конвейер; 4 - вентиляция; 5 - охладитель; 6 - нагреватель; 7 - жидкость-теплоноситель; 8 - насыщенный пар рабочей жидкости-теплоносителя (основная, рабочая (первичная) паровая зона); 9 - КП с ПМК; 10 - подъемный механизм; 11 - вторичная (защитная) паровая зона; 12 - удаление кислоты; 13 - осушитель; 14 - фильтр; 15 - теплообменник; 16 - насос. I - предварительный подогрев КП с ПМК; II - быстрый нагрев с оплавлением припоя; III - процесс пайки; IV - охлаждение смонтированного изделия

Рис.10. Схема установки ПОДП в ПГС непрерывного действия с замкнутым технологическим циклом (а) и ее температурно-временной режим (б) при скорости движения ленты конвейера 1,75 м/мии: 1 - нагреватель; 2 - контур охлаждения; 3 - окно для наблюдателя за процессом оплавления; 4 - фильтр; 5 - насос; 6 - сепаратор; 7 - сборник флюса; 8 - индикатор температуры, уровня пара и счетчик изделий; 9 - лента конвейера; 10 - КП с ПМК; 11 - однопаровая рабочая зона. I - температура корпуса ИС типа SO; II -температура основания КП; III - температура кипения рабочей жидкости теплоносителя (215°С); IV - температура оплавления припойной пасты(196°С)

Эффективным также является использование косвенного подо­грева теплоносителя, что позволяет исключить прямой контакт фреона с нагревательным элементом .

Для предупреждения перегрева теплоносителя рекомендуется снижать плотность теплового потока с поверхности нагревателя с 12 до 3 Вт/см², использовать автоматический контроль уровня жидкости-теплоносителя и установить жесткий контроль условий хранения и применения припойных паст. Например, подсушка паст после их нанесения на КП трафарет­ной печатью должна обеспечивать удаление не менее 80 вес. % раство­рителя и осуществляться при температуре 75 -100 °С в течение 15 - 40 мин в зависимости от типа растворителя и органического связующего вещества, а промежуток времени между окончанием формирования припойного покрытия до ПОДПсвести к минимуму.

Для избежания дефектов пайки и получения правильной галтели (т.е. формы паянного соединения, профиль которой при отсутствии дефектов должен быть похож на вогнутый шарик) (рис.11) необходимо знать не только физико-химические процессы, происходящие при пайке , специфику ПОДП в разных ТС, но и понимать причины возникновения дефектов при пайке. Использование самого совершенного технологиче­ского оборудования еще не гарантирует бездефектную пайку, причинами появления дефектов могут быть:

- неоптимальная толщина припойной пасты (см. рис.11,а,б);

• некомпланарность выводов ПМК;

• наличие градиентов температуры у паяемого объекта в первый момент пайки (из-за отсутствия предварительного подогрева объекта до 80 - 120 °С) (см. рис.11,б,в);

• неоптимальное проектирование контактных площадок знакомест (см. рис.11,в, а также смещения компонентов с номинальных позиций на знакоместах);

• закипание остаточной влаги в припойной пасте во время пайки (разбрызгивания припоя, шарики припоя, смещения компонентов, про­цессы коррозии);

• наличие остатков растворителя в припойной пасте и быстрое его испарение при пайке (см. рис. 11,6, а также смещения компонентов);

• неудовлетворительная смачиваемость припоем, например, одного из выводов компонента (см. рис.11,б,в, а также смещения компонентов);

• превышение скорости перемещения паяемого объекта в момент кристаллизации спаев (смешения компонентов на знакоместах);

- неоптимальная дозировка припоя для разных ПМК (см. рис.11,а - в, а также унос чип-компонентов течением припоя);

• недопустимый разброс по длине и (или) ширине металлизирован­ных участков ПМК, особенно у чип-компонентов (см. рис.11,в, а так­же смещения или унос чип-компонентов течением припоя);

• неоптимальный выбор содержания ингредиентов припоя в соста­ве припойной пасты (эффект "фитиля").

И все же эффект "фитиля" является самым характерным дефектом для ПОДП в ПГС и представляет собой затягивание припоя на верхнюю часть вывода (вплоть до сопряжения его с телом корпуса) ПМК в мо­мент оплавления припоя, что связано со способом доставки тепла к паяемым поверхностям. Анализ действующих в паяемом соединении сил поверхностного натяжения с привлечением классической теории смачивания (рис.12) позволяет выделить основные факторы, управле­ние которыми способствует избежанию затягивания припоя на вывод ПМК и тем самым обеднению места пайки припоем либо обрыву соединения вывода ПМК c контактной площадкой КП.

Рис.11. Возможные дефекты после пайки оплавлением дозированного припоя вследствие его передозировки (а), обеднения им места пайки (эффект "фитиля" либо “шарики припоя”) (б), опрокидывания чип-компонента (в) и образование правильной галтели после пайки для четырех типов компонентов (г): 1 - безвыводной корпус БИС с доращиваемыми выводами; 2 - КП; 3 - контактная площадка на КП; 4 - припой; 5 - корпус типа S0, 6 - корпус типа РLСС; 7 - чип-компонент

Рис.12. Силы поверхностного натяжения, действующие на сопрягаемые элементы при образовании галтели паянного соединения: 1 - КП; 2 - контактная площадка; 3 - припой; 4 - вывод ПМК; - силы поверхностного натяжения припоя при оплавлении; и , и - силы, связанные с межфазным натяжением (при учете влияния границы с газообразной средой) соответственно в системе вывод компонента - припой, контактная площадка - припой; и -краевые углы смачивания припоем соответственно вывода и контактной площадки.

Условием образования правильной галтели является выполнение неравенства

К таким факторам относятся:

- скорости смачивания припоем вывода ПМК и контактной пло­щадки КП;

• разность температур верхней части вывода и контактной площад­ки при попадании объекта в зону пайки и в момент оплавления припоя;

• компланарность выводов ПМК (особенно много выводных);

- точность дозировки припоя для разной формы выводов ПМК;

- состав и содержание ингредиентов припоя в припойной пасте (например, рекомендуется на время выравнивания температур верхней части вывода ПМК и контактных площадок КП обеспечивать задержку оплавления припоя путем использования в составе припойной пасты смеси порошков сплава 10Sn/90Pb и чистого олова в количествах, необ­ходимых для образования эвтектического сплава 63Sn/37Pb в процессе пайки).

Таким образом, при учете специфики ПОДЛ в ПГС и выборе само го современного технологического оборудования данный способ пайки перспективен для ТПМ. Он поддается автоматизации на любом уровне, однако сам процесс лайки осуществляется в химически активной среде, что требует применения специальных материалов и для изготовления оборудования, и для очистки смонтированных изделий. Устранение де­фектов монтажа (например, путем замены ПМК) и ремонт готовых ЭУ с применением ПОДП в ПГС исключены.

Более дешевые способы реализации ПОДП с конвекционным механизмом теплопередачи, например, в среде нагретого воздуха либо инертного газа не получили широкого распространения в ТПМ для мон­тажа ЭУ по причине неудовлетворительной воспроизводимости показателей качества паяных соединений при групповой пайке (из-за некон­тролируемых процессов окисления во время пайки, особенно в среде нагретого воздуха, и трудностей реализации группового на высоком уровне автоматизированного стабильного процесса пайки без ограничения материалов конструктивов по нагревостойкости). Пайка ОДП в среде нагретого инертного газа обычно осуществляется при температуре 280 °С в течение 10 - 15 с с начала оплавления припоя и используется в ТПМ преимущественно при устранении дефектов монтажа с применени­ем локального нагрева знакоместа с ПМК.

Пайка оплавлением дозированного припоя с применением

излучательного нагрева.

Передача тепла излучением по своей природе отличается от конвекционной и кондукционной главным образом боль шей скоростью переноса тепла, отсутствием прямого контакта с источ­ником излучения и управляемой проникающей способностью излучения в материалы конструктивов ЭУ. Глубина, на которую проникает излуче­ние, может быть определена из уравнения

Где - интенсивность излучения с длиной волны на глубине z; - интенсивность падающего излучения (с длиной волны ) на по­верхность конструктива; - коэффициент поглощения излучения материалом конструктива. Если учесть, что скорость поглощения энер­гии излучения нагреваемым объектом Р(z) прямо пропорциональна производной интенсивности излучения по глубине, т.е. а мощность излучателя определяется по закону Стефана-Больцмана: (где - постоянная Стефана-Больцмана; E - излучательная способность источника излучения; A - площадь излучающей поверхности; Т₁ - температура из­лучателя) и в то же время площади излучателя и объекта соизмеримы, то количество тепла передаваемого от источника излучения к нагре­ваемому объекту можно представить в виде :

где - поправочный коэффициент, учитывающий геометрические факторы поля видимости объекта для конкретного вида излучения; Т₂ - температура нагреваемого объекта.

Таким образом, при излучательном нагреве передача тепла прямо пропорциональна температуре в 4-й степени, следователь­но, излучательный нагрев объекта происходит значительно быстрее, чем прочие. С повышением температуры источника мощность излучения возрастает, а доля коротковолнового излучения в спектре увеличивает­ся. При соответствующем подборе спектра излучения, а также материа­лов конструктивов объекта, способных поглощать, отражать либо про­пускать излучение, можно изменять проникающую способность излуче­ния во время его взаимодействия с нагреваемым объектом, тем самым управлять процессом излучательного нагрева. И все же ПОДП с излуча-тельным нагревом - термодинамически неравновесный процесс, так как температура излучателя существенно отличается от температуры объекта (например, для ТС с ИК излучением 300 - 800°С, а Т₂ = 210 - 230 °С), что требует прецизионного контроля технологических параметров процесса пайки и управления ими.

ПОДП с ИК нагревом.

В ТПМ для групповой ПОДЛ с излучательным нагревом используется преимущественно ИК излучение в диапазоне длин волн 1,3 - 5,0 мкм. Пайка в этом случае осуществля­ется в негерметичной системе (рис.13,а) с применением двух типов источников ИК излучения: плоских керамических панельных (в количе­стве от 4 до 20), работающих в режиме средневолнового рассеянного ИК излучения (при этом 60 % тепла передается объекту за счет естест­венной конвекции (так как в рабочей камере присутствует газообразная среда) и 40 % при помощи излучения) и локальных концентрированных (ламповых) излучателей (в количестве 2-8), работающих в режиме коротковолнового ИК излучения (при этом доля конвекционной состав­ляющей в общем количестве тепла, передаваемого объекту» не превы­шает 5 %, а 95 % тепловой энергии доставляется к объекту излучением). Отношение излучательной к конвекционной составляющей (назы­ваемое ИК индексом; ИКИ= ) в общем количестве передаваемого объекту тепла выбирается как можно меньшим, если требуется избежать больших градиентов температуры в нагреваемом объекте, и как можно большим для уменьшения времени облучения объекта, т.е. повышения эффективности процесса пайки. Это надо учитывать при отработке технологических режимов ПОДП с ИК нагревом.

Для качественной ПОДЛ при использовании ИК излучения важно знать его длину волны, прозрачность остаточной газообразной ТС, а также характер поведения материалов конструктивов ЭУ в условиях облучения. Непосредственно для оплавления припоя, как правило, вы­бирается ИК излучение с длиной воли в диапазоне 1,3 - 2,5 мкм, в кото­ром органические вещества прозрачны, что позволяет излучению про­никать в глубь припойной пасты, быстро и беспрепятственно удалять из нее остатки растворителей без разбрызгиваний припоя и вспышек рас­творителей, не повреждая защитное или маскирующее покрытие, а так­же материал КП. Наиболее эффективными источниками коротковолно­вого ИК излучения являются лампы с вольфрамовой нитью накала.

Если технология ПОДП с ИК нагревом хорошо отработана, то в паяных соединениях, как правило, не возникают напряжения, как это бывает во время ПВП, ПДВП либо ПОДП в ПГС и др., когда нагревают­ся только поверхности материалов конструктивов монтируемых изделий.

Однако быстрый разогрев объекта, что характерно для ПОДП с ИК на­гревом, может вызвать температурные градиенты в конструктивах ЭУ в зависимости от скорости их нагрева и сложности геометрии, от места размещения компонентов на КП, от их теплопроводности и массы. Эф­фект "геометрии" (зависимость теплопередачи излучением от местопо­ложения ПМК на КП) при ПОДП с ИК нагревом проявляется в том слу­чае, если облучаемые ПМК (даже однотипные) находятся на разных местах КП, например, в центре или на краю платы, так как в первом случае энергию излучения поглощает одна поверхность ПМК, а во вто­ром - три поверхности. Кроме того, поглощающая способность мате­риалов ПМК, нагреваемых ИК излучением, может быть разной в зави­симости от наличия на КП ПМК в корпусах с большой отражающей поверхностью либо сильно отличающихся степенью черноты (так назы­ваемый "теневой" эффект вследствие цветочувствительности ИК излу­чения). В результате компоненты поглощают энергию излучения с раз­ной скоростью (и в разном количестве), что также может привести к появлению температурных градиентов в монтируемых изделиях, и это важно учитывать при отработке ТП пайки. Экспериментально определено, что влияние теплопередачи конвекцией или за счет тепло­проводности на температурные градиенты в последнем случае несуще­ственно. Самым радикальным средством для избежания в конструктивах градиентов температуры является комплекс мер, обеспечивающих близ­кий к равновесному процесс пайки с выравниванием температуры объ­екта до оплавления припоя и с высокой стабильностью поддерживания технологических параметров при монтаже изделий. В частности, ПОДП с ИК нагревом следует проводить в потоке инертного газа, выводящего из зоны пайки воздух и летучие продукты, выделяющиеся из паст и КП при нагреве (в противном случае летучие продукты осаждаются на по­верхностях узлов и деталей рабочей камеры, включая нагреватели, что приводит к изменению параметров ТС ( и др.), к появлению дефек­тов пайки и существенно усложняет управление ТП монтажа ЭУ). Рабо­чее пространство установки ПОДП с ИК нагревом должно иметь мини­мум три температурные зоны (в самом современном гнбкоавтоматнзи-рованном оборудовании для данного способа пайки количество темпера­турных зон может быть больше 10 с автономным контролем и у правлением параметрами нагревателей и ТС в целом), а температурно-временной режим пайки должен быть многоступенчатым (рис.13,а,б).

В зоне 1 нагрев КП с ПМК должен обеспечить быстрое удаление из них летучих ингредиентов при оптимальной скорости нагрева, не пре­вышающей 7 град/с. Однако градиенты температуры, возникающие в монтируемом объекте при быстром ИК нагреве, могут привести к повреждениям некоторых конструктивов, например, ПМК, содержащих материалы с низкой теплоемкостью, термочувствительных ПМК и т.п. Поэтому для гарантии обеспечения качественной пайки и высо­кой эксплуатационной надежности ЭУ в перспективном технологиче­ском оборудовании для ПОДЛ с ИК нагревом предусмотрена возмож­ность чередования зон быстрого и медленного нагрева . Так, в зоне 2 (см. рис.13) осуществляется выравнивание температуры объекта при скорости его нагрева не более 0,5 град/с. Медленное изменение темпе­ратуры, например от 160 до 170 °С (см. рис.13,6), обеспечивает рав­номерное распределение тепла в монтируемом изделии не только за счет ИК излучения, но и свободной конвекции и теплопроводности при теп­лопередаче до достижения равновесного состояния ТС с объектом в этой зоне и минимизации градиентов температуры.

Режим работы в зоне 3 подобен по скорости нагрева режиму зоны 1, но реализуется в диапазоне температур процесса пайки, начиная с температуры оплавления припоя (см. рис.5.18,6). При этом контролируется и минимизи­руется время оплавления припоя и тем самым пребывания ПМК в высоко­температурной зоне быстрого нагрева. При большом разнообразии ПМК иногда целесообразно использовать перед быстрым нагревом предварительный плавно-ступенчатый нагрев (рис.14,а,б) до температуры 50 - 70 °С, не вызывающий возникновения градиентов температуры в монтируемом изде­лии и заметно снижающий воздействия на ПМК температур в последующих зонах быстрого нагрева. Это требует использования как минимум пятизонной установки ПОДЛ с ИК нагревом, что экономически всегда оправдывается за счет повышения качества пайки.

Многозонные системы пайки с ИК нагревом незаменимы для вы­сокоплотного монтажа особо сложных изделий (с многовыводными кристаллодержателями сложной конструкции), поскольку позволяют с уче­том многофакторности процесса пайки подобрать оптимальный много­ступенчатый температурно-временной режим, обеспечивающий высокое качество и надежность паянных соединений . Типичный цикл ПОДЛ с ИК нагревом рассчитан на выдерживание ПМК в нагретом состоянии в течение 90 -130 с (см. рис.13,6 и 14), поэтому для обес­печения их безотказной работы необходим правильный выбор количества температурных зон установки пайки, экспериментальное определение и отработка температурно-временного режима бездефектной пайки для конкретного ЭУ при наличии прецизионного контроля технологических параметров процесса пайки автономно для каждой температурной зоны установки.

Рис.5.18. Схеме реализации ПОДП с применением ИК нагрева(а) и ее температурно-временней режим (б): 1 - корпус установки; 2 - КП с ПМК; 3 - плоские ИК нагреватели; 4 - кварцевая ИК лампа ;5 - охладитель 6 – лента конвейера; 7 - микропроцессор, 8 - дисплей, 9 - направление движения конвейера. I - нагрев массивных ПМК; II-нагрев паяемых соединений; III - нагрев деталей малой массы.

Рис. 14. Температурно-временные режимы ПОДП с применением ИК излучения при монтаже ПМК на КП (а) и тонкоплёночных МСБ (б): 1 - для двухступенчатого и 2 - для трёхступенчатого режимов пайки; 3 - область оплавления дозированного припоя. I-V - чередования соответственно быстрого и медленного нагрева; ПН - предварительный нагрев

Проведение пайки в потоке очищенного, химически инертного газа, например азота, в значительной степени уменьшает содержание кислорода в рабочем объеме установки, но не устраняет полностью окисли­тельные процессы во время пайки, поэтому рекомендуется в качестве защитной ТС применять смесь азота и водорода

(5 % Н₂ для восстанов­ления металлов из оксидов). Использование данной смеси газов умень­шает расплывание флюса (предположительно из-за увеличения его по­верхностной энергии в восстановительной среде) и растекание припоя при оплавлении, что способствует уменьшению смещения ПМК в мо­мент оплавления припоя и упрощает очистку смонтированных ЭУ . Это особенно важно в случае, когда ПМК закрепляются на пла­тах только с помощью флюса (без специальных адгезивов). Так, при смещении концов выводов ПМК более чем на ±0,5 величины шага кон­тактных площадок знакоместа оплавление дозированного припоя может заметно облегчить разворот компонента за счет тангенсальной состав­ляющей силы поверхностного натяжения припоя в момент его оплавле­ния (см. рис.12), ухудшая при этом точность позиционирования ПМК на КП.

Ранее отмечалось, что увеличение числа температурных зон (и со­ответственно ступеней температурно-временного режима) способствует улучшению качества пайки, например, рекомендуемый четырехступен­чатый ее режим (см. рис.14) несколько удлиняет процесс пайки, но позволяет существенно уменьшить количество дефектов пайки - да двух на 1 млн паянных соединений . Это важно, в частности, при ис­пользовании в составе паст и флюсов смесей растворителей, а также применении конформных покрытий. Как показывают исследования, ИК нагрев (по сравнению с конвекционным и кондукционным) обеспечива­ет увеличение на 20 - 30 % прочности паянных соединений и снижение на 95 % числа дефектов в местах пайки .

Анализ возможных видов дефектов после ПОДП с ИК нагревом показывает, что их появление обусловлено двумя причинами:

• неоптимальным определением температурно-временного режима пайки (в результате чего могут появляться шарики припоя; смещения и (или) перевороты ПМК; коробления КП; перегревы в ЭУ, вызывающие повышение интенсивности отказов ПМК; обесцвечивания КП; дефекты, связанные с проявлением эффекта "фитиля" (см. рис.11), а также "геометрического" и "теневого" эффектов);

• неоптимальным проектированием КП (в результате могут быть обесцвечивания КП; коробления КП; смещения и (или) перевороты ПМК; дефекты, вызванные проявлением "геометрического" и "теневого" эффектов).

Специфику применения ИК излучения для групповой ПОДП следу­ет учитывать: при выборе навесных компонентов (например, важно пра­вильно выбирать их массу, габариты, оптические свойства материалов корпусов и т.д.); при разработке компоновочной схемы ячейки ЭУ (сле­дует размещать ПМК в больших корпусах на краях КП и малых - в цен­тре КП, оценивать потребности в теплоотводах и защите ПМК); при проектировании КП (надо иметь сведения об оптических свойствах ма­териала основания КП, припойной пасты, защитных и отражающих по­крытий, а также теплоотводящих, термокомпенсирующих и отражаю­щих излучение элементов КП).

В производстве ЭУ на многослойных КП иногда используют ПОДП с комбинированным нагревом, т.е. комбинацию ИК излучения и коидукционного (контактного) нагрева (рис.15). Контактный нагрев осуществляется нагреваемой конвейерной лентой (реже - нагретой пли­той) и позволяет в комбинации с излучательным несколько сократить время пребывания изделия в установке пайки и обеспечивает более эф­фективное выравнивание температуры объекта пайки по сравнению с применением только йзлучательного нагрева, хотя и используется в основ­ном при монтаже ЭУ на платах с повышенной нагревостойкостью.

Сравнение способов ПОДП в ПГС и с ИК нагревом позволяет ре­комендовать первый для мелкосерийного производства и лабораторных применений (оборудование для ПОДЛ в ПГС имеет небольшие размеры и просто управляемо) при изготовлении преимущественно малогабарит­ных ЭУ с высокоплотным двухсторонним ПМ и по возможности с однотипной конструкцией сложных корпусов ПМК; второй - в составе гибких автоматизированных поточных линий (технологическое оборудование, несмотря на более простое устройство рабочей камеры, чем в первом случае, имеет большие размеры, сложнее в управлении и требует частой автоматической подстройки параметров ТП во время монтажа) для изготовления ЭУ на КП с шириной от 50 до 500 мм, с разнообразной конструкцией ПМК и разными вариантами их сборки на КП (одно- или двухсторонний) при высоком выходе годных ЭУ после монтажа.

ПОДП с применением лазерного излучения.

Лазерное излуче­ние характеризуется высокой когерентностью, направленностью и плот­ностью потока в сравнении с ИК излучением. При использовании само­го современного технологического оборудования ПОДП лучом лазера можно назвать способом пайки с последовательно-групповым (т.е. сред­ним) уровнем автоматизации, так как для реализации пайки на самом высоком уровне автоматизации (т.е. одновременного оплавления припоя сразу во всех местах контактирования ПМК с КП) потребовалось бы количество лазерных лучей, как минимум равное числу паяемых соеди­нений (современные ЭУ могут содержать более 10000 паянных соедине­ний). Большинство установок лазерной ПОДЛ выполняют монтаж по­следовательно по каждому отдельному контакту вывода ПМК с кон­тактной площадкой КП, осуществляя точечный нагрев (рис.16) как в непрерывном, так и в импульсном режимах. С помощью системы спе­циальных оптических зеркал можно разложить лазерный луч на не­сколько и осуществлять многоточечную (групповую, по ряду контактов) пайку, хотя и с ограниченным количеством (не более 50) одновременно паяемых соединений . Однако, несмотря на невысокую производительность, лазерная ПОДП имеет следующие преимущества в сравнении с ПОДП с ИК нагревом:

- в процессе пайки оплавляется очень малый участок, при этом КП и ПМК расположенные на ней, могут не нагреваться;

- точечный нагрев, направленным пучком лазерного излучения обеспечивает селективность процесса пайки, что позволяет осуществить, например, ремонт изделия, в том числе замену компонентов и т.д. (при ИК нагреве это исключено);

- малое время пайки (0,1 -4,0 с);

- простоту контроля и управления процессом пайки;

- источник лазерного излучения может быть вынесен за пределы рабочего пространства, поскольку пайку можно осуществлять, напри­ мер, через стекло;

это упрощает выбор технологической среды для проведения пайки и позволяет добиться требуемой чистоты процесса, а также облегчает работу с оптической системой;

- с применением оптико-волоконных световодов (для передачи энергии излучения), ЭВМ и робототехники система для пайки становиться компактной, гибкой (быстро перестраиваемой), высокопроизводи­тельной;

- спай после лазерной пайки имеет самую мелкозернистую, высо­кооднородную структуру и минимальную толщину интерметаллических прослоек (из-за кратковременного действия тепла (20 - 30 мс) и высокой скорости кристаллизации расплава), что существенно повышает надеж­ность паяных соединений;

- выбор материалов ТС, начиная с этапа, предшествующего сборке ПМК на КД менее критичен, чем для других способов монтажа (пайка может проводиться в обычной атмосфере; нет потребности в специаль­ных флюсах, адгезивах и очистителях, т.е. можно использовать обыч­ные недорогие материалы ТС так как за время пайки летучие вещества практически не выделяются, отсутствуют растекания припойной пасты (в том числе флюса), однако пайка не может выполняться одновременно с двух сторон КП);

• возможность фокусировки лазерного луча в пятно диаметром 25 мкм и менее обеспечивает высококачественную пайку многовывод­ных БИС (СБИС, УБИС) (т.е. пайку самых миниатюрных выводов с наименьшим шагом без перемычек и шариков припоя);

• возможность чередования монтажных операций со сборочными в любой задаваемой программой работы лазерного луча последовательно­сти (что важно при наличии в составе изделия ПМ соединителей, шлей­фов и других узлов);

• гибкая перестройка режима работы лазерного луча обеспечивает высококачественную пайку любых ПМК независимо от их массы, габа­ритов и термочувствительности без ограничений при выборе материала диэлектрического основания КП;

• возможность монтажа без применения флюсов и очистных процессов;

• наибольший выход годных изделий при наилучшем качестве па­янных соединений после монтажа.

Рис. 15. Автоматизированная технологическая линия сборки и монтажа ПМК на многослойных керамических КП для мелкосерийного многономенклатурного производства ЭУ в ТПМ: 1 - транспортер; 2 - магазин; 3 - накопитель; 4 - установка нанесения припойных и защитных покрытий; 5 - сборочный автомат, 6 - установка ПОДП с комбинированным нагревом (ИК излучением и кондукционным);7 - установка очистки смонтированных изделии

Рис, 16. Схема реализации процесса лазерной ПОДП со встроенным контролем качества паянных соединений: 1 - детектор ИК излучения, выделяющегося при лайке; 2 - дисплей для оперативного отображения информации (в том числе при координатном программировании); 3 - видеокамера (указатель цели лазерному лучу); 4 - термическая сигнатура паянного соединения; 5 - твердотельный лазер (для пайки); 6 - газовый лазер (для вспомогательных операций); 7 - зеркала, 8 - оптико-волоконный световод; 9 - оптические линзы; 10 -усилитель; 11 - АЦП; 12 - подача лазерного луча на вывод компонента (в место пайки); 13 - КП; 34 - навесной компонент, 15 - координатный стол, 16 - перемещение по оси г, 17 - перемещение по оси у, 18 - сервисная система перемещения стола; 19 - цифровое преобразование ИК излучения, идентификация, компьютерное управление перемещением координатного стола; 20 - периферийные устройства ЭВС; 21 - память ЭВС; 22 - маркировка изделий с дефектами; 23 - сенсорные устройства для определения и регулирования мощности лазерного излучения.

Современные установки лазерной ПОДП содержат, кроме конст­руктивов, приведенных на рис.16, блок питания, систему охлаждения и устройства, обеспечивающие безопасность работы. Однако в более перспективном оборудовании используется как минимум двухлучевая система с блоком сканирования и автономным управлением лучей, по­зволяющая производить пайку по двум противоположным рядам кон­тактов ПМК - КП (лазерный луч сканирует вдоль контактных площадок КП для улучшения теплопроводности контактируемых элементов и уменьшения времени пайки) (рис. 17,а).

Развивающаяся ТПМ предъявляет следующие требования к уста­новкам лазерной ПОДЛ:

• способность монтировать все типы ПМК независимо от их раз­меров, формы, поворота и места размещения на КП;

• использование одновременной работы как минимум двух лучей (для предотвращения опрокидываний чип-компонентов);

• независимое программирование работы каждого луча (для пайки ассиметричных ПМК, а также возможности изменения (при необходимо­сти) энергии излучения, передаваемой каждому монтируемому контакту);

• согласование программного обеспечения установки с характери­стиками САПР ЭУ для использования данного оборудования в составе ГПС.

В настоящее время в установках лазерной ПОДП находят приме­нение два типа лазеров - твердотельные на АИГ: (с 10,06 мкм и мощностью 10-60 Вт) и газовые на (с = 10,6 мкм и мощностью до 150 Вт), которые работают как в непрерывном, так и импульсном режимах. В твердотельных лазерах используют более простую и деше­вую оптическую систему, изготовленную из оптического стекла. В лазе­рах на применяют дорогостоящую оптику. Так как имеется большой выбор ма­рок оптического стекла по сравнению с дорогими материалами, то это позволяет создавать для твердотельных лазеров более совершенные оп­тические системы и быстро вносить в них изменения.

Таким образом, лазеры на АИГ: являются более перспективными для лазерной ПОДП по сравнению с С0₂ лазерами.

Однако в некоторых случаях удобнее использовать лазеры на , поскольку они обеспечивают большую (в сравнении с лазерами на АИГ: ) мощность.

В большинстве случаев для лазерной ПОДП рекомендуется лазер­ное излучение с плотностью энергии 10⁵ - 10⁷ Вт/см² при фокусирова­нии излучения в пятно диаметром -10 - 100 мкм. На рис.17, а представлена установка лазерной ПОДП с применением твердотельного лазера на АИГ: и системы разложения лазерного пучка, пайка проводится в импульсном режиме. Характерным для такой пайки является образование зоны нагрева вокруг места расплавления при­поя (см. рис.17б,в) вследствие отражения части энергии оптического излучения в первый момент времени. Однако это не оказывает сущест­венного влияния на качество пайки, если контактируемые материалы имеют хорошую теплопроводность. В противном случае рекомендуется выбирать корпуса с планарными выводами либо технологические сред­ства защиты элементов ПМК от перегревов. Возможными дефек­тами лазерной ПОДП являются шарики припоя (если происходит раз­брызгивание припоя вследствие перегрева и испарения припойной пас­ты, что может наблюдаться преимущественно в импульсном неопти­мально подобранном режиме работы лазера либо в случае неоптималь­ного режима подсушки припойной пасты), а также разрушения основа­ния КП лазером (при сбое механизма фокусировки лазерного луча либо отсутствии технологических средств защиты КП (использование флю­сов, отражающих покрытий) при работе с лазерами в режиме по­вышенной плотности энергии излучения).

При разработке ЭУ следует помнить, что металлы лучше погло­щают коротковолновое, а органические диэлектрики - более длинновол­новое оптическое излучение. Важно также знать специфику процессов ПОДП в непрерывном и импульсном режимах работы лазеров для пра­вильного выбора соответствующего типа оборудования и средств его автоматизации.

Рис. 17. Пайка оплавлением дозированного припоя с использованием лазерного излучения: а - оборудование для лазерной пайки; б - температурно-временной режим пайки плоского 100-выводного корпуса БИС с L-образными выводами; в - основные зоны нагрева при монтаже. Зонам нагрева A, В и С соответствуют кривые A, В и С на графике б. Мощность излучения в пучке -200 Вт

Следует также отмстить, что лазерная ПОДП не является альтерна­тивой другим способам ПОДП, а скорее их удачно дополняет, например, при монтаже (и демонтаже) особо сложных ЭУ с повышенной плотно­стью монтажа и сложными конструкциями ПМК (в том числе термочув­ствительными), существенно отличающимися массой и габаритами. А главное - лазерная ПОДП незаменима для монтажа специальной высо­конадежной аппаратуры, когда главным является качество и надежность паянных соединений, а не производительность технологического обору­дования.

Групповая ПОДП контактным нагревом.

Пайка контактным на­гревом (ПКН), т.е. нагретым инструментом (обычным паяльником, многожальным паяльником, микропаяльником, термокарандашами со специальными электродами и т.д.), известна как широко распространенный и хорошо освоенный способ единичного или группового мокроконтакти-рования в технике ТМ и при монтаже ГИС (и МСБ), поэтому естествен­но, что групповая ПКН была раньше других способов приспособлена для ТПМК . При освоении ТПМ было разработано большое разно­образие инструментов для групповой ПКН , а для монтажа ЭУ на нагревостойких КП (например, на керамике) - различных нагре­ваемых приспособлений (типа плиты, конвейерной ленты, транспортера с набором специальных пластин и др.) .

Точность совмещения выводов ПМК с контактными площадками КП при одновременной сборке и монтаже ЭУ с применением, например, цангового инструмента зависит от его конструкции и спо­соба позиционирования на знакоместе КП, а выход годных изделий - от количества качественных (годных) паянных соединений (контактов ПМК с КП). Выход годных ЭУ можно оценить по частоте появления дефектов Я в местах пайки. Если в общем виде вероятность получения одного годного контакта определяется как то для изделия с числом контактов N она может быть представлена как Р = . До­пустимая частота дефектов, обеспечивающая требуемый выход годных изделий, пекле ПКН с помощью инструмента в ТМ значительно выше, чем при ПМ.

И все же разновидности инструментальных спо­собов ПКН малоперспективны для ТПМ, поскольку ограничивают плот­ность монтажа и низкопроизводительны, кроме того, для каждой конфи­гурации выводов и размеров корпуса ПМК требуется индивидуальная оснастка, а с увеличением количества выводов ПМК (при шаге выводов менее 1,0 мм) такие способы неэффективны (так как при этом еще и возрастает частота появления дефектов). В настоящее время ПКН с по­мощью специальных инструментов используется в ТПМ для изготовле­ния макетных образцов ЭУ и ремонта смонтированных изделий. В этих случаях ПКН осуществляют в импульсном режиме в диапазоне тем­ператур 220 - 270 °С с приложением к инструменту небольшого уси­лия (не более 100 г).

ПОДП на нагретой плите или другие приспособлении (как разновид­ность способа ПКН) используется в ТПМ для изготовления малогабаритных ЭУ (в том числе и МСБ) на КП из высоконагревостойких (выдерживающих темперу порядка 300°С и более при непрерывном нагреве во время пайки) и высокотеплопроводящих материалов. Однако для уменьшения вре­мени пайки и избежания в изделиях градиентов температуры часто комби­нируют контактный нагрев с нагретым инертным газом и (или) ИК излуче­нием.

Гибкая автоматизация технологических процессов.

Преимущества ТПМ лучше всего реализуются в условиях гибкой производственной системы (ГПС) . ГПС представляет собой ком­плекс автоматизированного оборудования (технологического, транс­портного, складского и др.) с единой автоматизированной системой управления (АСУ), обеспечивающей быстрый переход с выпуска одного изделия на выпуск другого путем замены программы АСУ, автоматической смены инструментов и оснастки без изменения состава и расположения основного оборудования. По сути, ГПС можно рассматривать как организационно-техническую структуру (т.е. организационную, функциональную, компоновочную и информационно-управляющую), на основе которой создаются высокоэффективные (преимущественно мелкосерийные многономенклатурные), а также интегрированные производства перспективных ЭУ.

В состав автоматизированного технологического оборудования обычно входят гибкие технологические модули (ГТМ - основная техно­логическая структурная единица ГПС) и (либо) робототехнологические комплексы с индивидуальными средствами автоматического управления или управляемые от центральной ЭВМ, устройства загрузки-выгрузки (промышленные роботы или специальные автоматические устройства) объектов производства (и их конструктивов), унифицированная (или специальная) оснастка, контрольно-измерительные средства и т.д. (рис. 18). Состав технологического оборудования ГПС должен подби­раться так, чтобы обеспечить реализацию ТП, предусмотренных в смен­ных программах с учетом резервирования отдельных ГТМ (на случай отказа) для обеспечения непрерывной работы ГПС.

Транспортное оборудование (транспортеры, конвейеры, автомати­ческие тележки, промышленные роботы или специальные автоматиче­ские устройства) должно обеспечивать своевременную подачу со скла­дов к технологическому оборудованию заготовок, конструктивов, смен­ной оснастки и требующих замены инструментов, материалов ТС и доставку на склады готовых ЭУ, сменной оснастки и инструмента, отхо­дов производства и т.д. по адресам, указываемым по команде централь­ной управляющей ЭВМ (см. рис.18).

Складское оборудование представляет собой складирующие авто­маты, на которых хранятся и выдаются по команде АСУ полуфабрика­ты, готовые ЭУ, конструктивы, оснастка, инструменты, материалы и т.д. в количестве, достаточном для непрерывной работы ГПС.

АСУ на базе ЭВМ осуществляет оперативный контроль за работой ГПС нее составляющих, оптимизирует режим работы всех единиц обо­рудования, особенно при переходе на выпуск других изделий, определя­ет необходимые для этого инструменты, оснастку, материалы ТС и дает команду на их доставку к технологическому оборудованию, а также изъ­ятие заготовок, оснастки, отходов и т.д. от предыдущего изделия. Высо­кое быстродействие и большая емкость памяти ЭВМ обеспечивают на­дежный контроль и оперативное управление производственным процес­сом в рамках ГПС.

Рис. 18. Гибкая автоматизированная линия сборки и монтажа (по варианту I) ПМК на КП: 1 - загрузчик; 2 - модуль трафаретной печати припойной пасты; 3 - конвейер; 4 - модуль нанесения клея; 5 - модуль сборки чип-компонентов и корпусов типа SO с малым числом выводов, б - модуль сборки многовыводных , корпусов SO и FP; 7 - модуль сборки кристаллодержателей (PLCC и др.) на КП; 8 - монтаж ПОДП; 9 - разгрузчик; 10 - транспортный робот, управляемый ЭВМ; ЭВМ1 - центральная ЭВМ; ЭВМ2 - ЭВМ контроля и управления автоматической линией; ИД - исходные данные; ВД - выходные данные; Д1 и ДО - дисплеи

Таким образом, в отличие от жесткой гибкая автоматизация харак­теризуется:

• быстрой переналаживаемостью производственной системы толь­ко с использованием имеющегося в составе ГПС технологического оборудования;

• широким применением ЭВС и робототехники;

• оперативностью контроля и управления ТП;

• возможностью оптимизации ТП и процесса управления произ­водством;

• возможностью диагностирования технического состояния обору­дования;

• совместимостью со всеми средствами реализации любых САПР, что позволяет при соответствующем выборе компьютерной среды орга­низовать интегрированную производственную систему;

• возможностью совершенствования изделий и технологий их изго­товления;

• потребностью высококвалифицированных рабочих;

• возможностью организации малолюдной и безлюдной техноло­гий, а в сочетании с кластерными системами - экологически чистых технологий.

Переналаживаемость и гибкость ГПС.

Под переналаживаемо­стью ГПС подразумевается возможность быстрого и экономичного пе­рехода с одного ТП на другой в связи с изменением конструктивных, технологических, организационных, управленческих и экономических факторов, а также объема выпуска изделий. Основной характеристикой переналаживаемоети является время переналадки. Переналаживаемость присуща любому многономенклатурному производству, но в современ­ных условиях производства ЭВС требования к переналаживаемости особенно возрастают. Это определяется частой сменяемостью ЭУ, обу­словленной постоянным совершенствованием их конструкций, измене­нием нх функциональных параметров, одновременным выпуском не­скольких модификаций изделий, изменением объема выпуска, совер­шенствованием различных технологий (реализуемых в ГПС), освоением новых ЭУ, пользующихся повышенным спросом у потребителей и т.д., а также разработкой уникальных ЭУ. Переналадка может быть также свя­зана с отказом отдельных единиц ГПС и автоматическим включением резервных в ТП.

В ГПС можно выделить неизменяемые базовые структурные еди­ницы (БСЕ), а также средства наладки и настройки. Средства наладки позволяют изменять качественные и количественные характеристики ГПС путем замены одних узлов другими в пределах допускаемых от­клонений, определяемых БСЕ. Средства настройки позволяют изменять качественные и количественные характеристики ГПС без замены узлов, а только путем их переналаживания в заданных пределах (с помощью регулировочных органов или элементов).

К БСЕ относятся: несущие конструктивы технологического обору­дования, индивидуальных или групповых устройств управления; транспортно-накопительных устройств, загрузочно-разгрузочного и другого оборудования, а также их общее программно-математическое обеспечение.

К наладочным средствам относятся агрегатные узлы технологиче­ского оборудования и автоматизированной транспортно-складской сис­темы, технологическая оснастка, включая инструментальную, захваты и ориентирующие устройства, узлы систем инструментального, техноло­гического и информационного обеспечения, дополнительные блоки сис­тем управления, специальное программное обеспечение управляющих ЭВМ, управляющие программы.

Средства настройки включают регулируемые электронные узлы и электромеханические конструктивы технологического оборудования, регулировочные органы и элементы устройств индивидуального, груп­пового и централизованного управления, входные параметры , про­граммного обеспечения.

Переналадка - это технологический процесс, связанный с измене­нием характеристик ГПС, Возможность эффективного изменения этих характеристик достигается гибкостью производительной системы.

Гиб­кость является характеристикой непосредственно ГПС, а переналаживаемость определяется характеристиками как ГПС, так и объектов про­изводства.

Гибкость производственной системы определяется:

- диапазоном изменения технических характеристик (например, режимов обработки, прижимных усилий, допустимой конфигурации и размеров отдельных конструктивов оборудования, количества рабочих органов, точности выполнения технологических операций и т.д.) ГПС и ее структурных единиц;

- универсальностью технических решений в пределах одной ГПС, в том числе основного и вспомогательного оборудования, применяемой оснастки для различных видов оборудования, средств управления, ин­формационного и программного обеспечения;

- временем, требуемым для изменения технических характери­стик ГПС;

- совершенством системы управления и средств программного обеспечения в отношении оперативности переналадки ГПС.

В качестве меры гибкости перехода ГПС, выпускавшей изделия i-го наименования, к выпуску изделий j-го наименования принимают коэффициент гибкости , определяемый как

где - время обработки (формообразования) 1-го объекта при изготов­лении ЭУ j-го наименования; - время переналадки ГПС при переходе от выпуска i-ro наименования к j-му; (1 - 1 / n) - весовой коэффициент, учитывающий объем номенклатуры выпускаемых ГПС изделий различ­ных наименований (для выпуска изделий только одного наименова­ния n = 1, а =0).

Для оценки среднего значения коэффициента гибкости ГПС , рассчитанного на выпуск ЭУ п различных наименований, следует в уравнение для определения подставить вместо и их средние зна­чения:

;

тогда

Этот коэффициент может быть применен для простейшей оценки гибкости проектируемых ГПС и находящихся в эксплуатации, так как характеризует способность ГПС к самообеспечению готовности выпус­кать изделия другого наименования. Чем больше этот показатель, тем выше способность ГПС к переналаживанию. Расчет усредненного коэф­фициента гибкости позволяет установить уровни гибкости ГПС (напри­мер, к высшему уровню гибкости следует отнести ГПС, для которых = 0,8- 0,9, к среднему - ГПС с =0,6 -0,8).

Использование коэффициента гибкости в качестве основного пара­метра ГПС при моделировании (математическом или имитационном) дает возможность определить оптимальную последовательность запуска исходных для изготовления ЭУ конструктивов, деталей и т.п. в произ­водство, а также сравнение и выбор нужной ПГС для производства пер­спективных ЭВС.

В заключение важно отметить, что гибкая автоматизация посте­пенно стирает границы между единичным и крупносерийным производ­ством ЭУ, поскольку является самым удачным для ТПМ компромис­сным решением, обеспечивающим сочетание универсальности с повы­шением производительности технологического оборудования. Совре­менное представление о гибкости, кроме того, обязательно должно быть связано с наличием избыточных производственных мощностей и допол­нительных капиталовложений, что в реальной действительности всегда экономически оправдывается за счет высокого качества и надежности выпускаемых ЭУ, а тем самым и их конкурентоспособности в условиях рыночной экономики.

Практическое занятие

ИЗУЧЕНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО

ПРОЦЕССА ПАЙКИ ПРИ МОНТАЖЕ ЭВС

Целью практического занятия является изучение специфики автоматизированного процесса пайки, включая технику ее реализации и автоматизированного контроля технологической среды при пайке, обеспечивающего её качество, а также приобретение навыков разработки технологического процесса с учетом его физико-химических особенностей.

Продолжительность занятия – 2ч.

Теоретические сведения

Расчетный метод определения времени между корректировками состава припоя в ванне и массы корректирующих компонентов

На этапе проектирования технологического процесса автоматизированной пайки двойной волной припоя (ДВП), широко применяемой для производства ЭВС, операции по корректированию массы и состава припоя (основной технологической среды для пайки) в ванне разрабатываются на основании предварительных расчетов.

Количество (массу) припоя требуется восстанавливать в связи с убылью припоя из ванны в процессе пайки.

Убыль припоя из ванны вместе с уходом коммутационной платы (после образования паянных соединений) зависит в основном от площади контактных соединений (выводы навесных компонентов – контактные площадки) на плате, толщины наносимого в местах контактирования слоя припоя, числа контактных площадок на плате, а также производительности установки для пайки. Чем больше масса припоя в ванне, тем меньше тепловое возмущение ("тепловые удары") в системе плата – ванна с припоем при соприкосновении платы с волной (волнами) припоя, тем стабильнее технологический процесс и выше качество пайки. Экспериментальным путем установлено, что теплообмен в системе плата-волна (волны) припоя практически не влияет на характеристики волны (волн) припоя и стабильность режима пайки, если масса припоя в ванне не менее чем в 20 раз (а для пайки двойной волной в 30 раз) превышает массу платы или плат, одновременно входящих в контакт с волной (волнами) припоя. Обычно при обосновании выбранного количества припоя в ванне учитывают не только процессы теплопередачи, но и возможность забора припоя соплом без нарушения стабильности характеристик волн (скорости истечения, давления, формы и т. д.), а также возможность прецизионного управления волной (волнами), оптимальный расход припоя и энергопотребление. В предварительных расчетах принимают некоторые допущения, например, ширина полосы соприкосновения волны (волн) с платой (на ее (или их) гребне) соответствует длине платы (т. е. контакт волна-плата осуществляется одновременно для всех контактных точек на одной стороне платы).

Если масса платы

(3.1)

где V_п – объем основания платы (V_п=a b c; здесь a, b и c – соответственно длина, ширина и толщина платы); – плотность материала основания платы; m_k – удельная масса коммутации (норма коммутации на единицу объема платы) для одной платы; то минимальная масса припоя в ванне при пайке ДВП определится как

(3.2)

С учетом допустимого отклонения массы припоя α в процессе пайки (см. табл. 3.1) наибольшая допустимая убыль массы припоя в ванне составит

(3.3)

Убыль массы припоя в ванне включает убыль массы припоя из–за переноса его на контактные площадки платы (m₁) и убыль массы припоя в виде паров и продуктов окисления (m₂) ,т.е.

.

Целесообразность технологического процесса автоматизированной пайки ДВП основана на малом долевом расходе припоя через испарение и окисление. Практически установлено, что

(3.4)

причем в зависимости от конкретных условий ведения процесса (отношения открытой поверхности расплава припоя к его объему, интенсивности перемешивания, отвода шлаков, загрязненности маслами и т.д.) коэффициент δ принимает различные значения, в среднем δ=0,026.

Убыль массы припоя m₁ ,из–за переноса его на контактные площадки платы, происходит без изменения состава расплава припоя в ванне и определяется для припоя ПOC-61 как

(3.5)

где А₁ – площадь платы (А₁=ab); n – число контактных площадок на единицу поверхности платы; m_kп – масса припоя на контактной площадке (m_kп = (A₂h) , здесь h – толщина припоя, обычно h 10 мкм; – плотность припоя, см. табл. 3.1; A₂=а'· b', где а', b' – размеры контактной площадки); 0,39m₁ – убыль массы свинца (m_Pb); 0,61m₁ - убыль массы олова (m_Sn).

Убыль припоя в виде паров и продуктов окисления связана с изменением состава расплава припоя в ванне и может быть оценена из анализа термодинамики процессов испарения и взаимодействия свинца и олова с кислородом. Такой анализ показывает, что давление насыщенных паров свинца над его расплавом составляет 1,77 мм рт. ст. и олова над его расплавом – 0,0456 мм рт. ст. (при температуре расплавления припоя в ванне). Этому соответствует тот факт, что свинец испаряется существенно быстрее, чем олово. Однако различие скоростей испарения должно быть несколько уменьшено, так как в расплаве свинца содержится примерно в 2 раза меньше, чем олова. Из-за отсутствия сведений об экспериментальных определениях скоростей испарения, следует ограничиться их качественной оценкой. Аналогичные обстоятельства вынуждают ограничиться качественной оценкой скоростей окисления свинца и олова в их расплаве, активно протекающих в связи с непрерывным перемешиванием расплава припоя на границе с воздушной атмосферой (при наличии защитной жидкости эти процессы имеют место в потоке волны).

Анализ термодинамики взаимодействия свинца и олова с кислородом показывает, что химическое сродство (изменение свободной энергии) к кислороду у олова больше, чем у свинца, вследствие чего можно предполагать восстановление окисленного свинца, т. е. при контакте расплава припоя с воздушной атмосферой должны протекать химические реакции

2Pb+O₂=2PbO

В результате расплав припоя со временем обедняется оловом, и эвтектический состав смещается, изменяя температуру начала кристаллизации и свойства припоя. Таким образом, оба явления: испарение и окисление, приводящие к изменению состава расплава припоя, в общем, приводят к преимущественному уносу олова из расплава в сравнении с уносом свинца. Качественные опытные оценки свидетельствуют о том, что олова убывает из расплава в 4 раза больше, чем свинца. Следовательно, убыль массы припоя m₂ в виде паров и продуктов окисления можно представить как

(3.6)

где – доли уноса свинца и олова из расплава соответственно, причем

откуда = 0,20 и = 0,80, что позволяет записать

(3.7)

где = 0,20m₂ и =0.80m₂.

Таким образом, для поддержания постоянства состава и свойств технологической среды при автоматизированной пайке ДВП необходимо вводить в припойную ванну массу свинца

(3.8)

и массу олова

(3.9)

Временные интервалы между корректировками расплава припоя в ванне определяются как

(3.10)

где N – производительность процесса пайки (количество ячеек, обрабатываемых в час).

Время, затрачиваемое на пайку одной ячейки:

(3.11)

где b/d – количество касаний волной платы до полного прохода волной вдоль всей платы ячейки (значения d и t см. в табл. 3.1), значение t подставлять в формулу (3.11) в секундах, тогда

(3.12)

После предварительных расчетов полученное значение производительности установки пайки согласовывают с приемлемой для выполнения данного процесса скоростью движения конвейера (см. табл. 3.1), учитывая возможность перемешивания припоя в ванне после корректировки его состава, т. е. реальное значение производительности будет несколько меньшим (приблизительно на 20 – 30 %).

Таблица 3.1.

Основные рекомендации для выбора характеристик технологической среды и режимов процесса пайки двойной волной припоя

№ п/п	Характеристика технологической среды и режима пайки	Рекомендации по выбору
1	Тип припоя	Мягкий, ПОС-61
2	Плотность припоя γ	8,5 г/см3
3	Интервал температур для выбора рабочей температуры припоя в ванне	240 – 270 0С
4	Допустимое отклонение от рабочей температуры припоя в ванне	±2 ºС
5	Длительность пайки t	5 – 7 с
6	Высота основной волны припоя над уровнем его основной массы в ванне	8 – 13 мм
7	Максимальная длина волны (основной) припоя	250 мм
8	Максимальная ширина волны (основной) припоя	Она равна ширине коммутационной платы
9	Ширина полосы соприкосновения волны с платой d	15 – 40 мм
10	Длина полосы соприкосновения волны с платой	Она равна ширине коммутационной платы
11	Допустимое отклонение α массы припоя в процессе пайки от исходной массы	5%

Если в соответствии с формулой (3.10) временной интервал между корректировками расплава припоя в ванне будет меньше, чем 0,5 ч, то увеличивают массу припоя M в ванне и пересчитывают уход припоя и время между корректировками припойной ванны.

В предварительных расчетах не учитывается возможность добавки в ванну с припоем материала коммутации платы, например меди (в количестве не более 2 %), для сведения к минимуму эффекта растворения металла с платы в припое, что важно для сохранения однородности состава паянного соединения (так как после пайки медь образует дендридные кристаллы, препятствуя ликвации (неоднородности) компонентов припоя).

Исходные данные задания

В табл. 3.2 приведены исходные данные для полиимидной коммутационной платы. Допускается смешанно - разнесенный монтаж навесных компонентов (т. е. устанавливаемых в отверстия с одной стороны и на поверхность (для простейших поверхностно-монтируемых компонентов) с другой стороны одной и той же платы).

Таблица 3.2

Исходные данные задания

Размеры диэлектрического основания коммутационной платы a х b х c, мм х мм х мм	Плотность материала основания платы γп, г/см3	Удельная масса коммутации для одной платы mk, г/см3	Число контактных площадок на единицу поверхности платы n, см-2	Размер монтажной площадки, a΄х b΄, мм х мм
100 x 95 x 0,60	1,42	3,0	10	1,0 x 1,0

Задание к практическому занятию

1. Определить корректирующую массу припоя с учетом ее состава для заданного изделия с использованием соотношений (3.1) – (3.9).

2. Определить временной интервал между корректировками припойной ванны, пользуясь формулами (3.10) – (3.12), и заполнить форму табл. 3.3.

3. Разработать алгоритм реализации автоматизированного контроля и управления для технологической среды при пайке двойной волной припоя. Контролируемые параметры: температура расплава припоя в ванне, его масса и состав.

4. Составить перечень средств для реализации автоматизированного контроля и управления параметрами технологической среды с указанием их функционального назначения.

5. Написать выводы по результатам работы с указанием качества и перспективности выполненной разработки.

Порядок выполнения задания

1. Изучить теоретические сведения и методику расчёта в рамках задания.

2. Определить массу коммутационной платы M₁ и минимальную массу припоя М в ванне, пользуясь соотношениями (3.1) и (3.2).

3. Определить наибольшую допустимую убыль массы припоя в ванне из соотношения (3.3), используя данные табл. 3.1.

4. Определить убыль массы припоя m₁ из–за переноса его на контактные площадки платы из соотношения (3.5).

5. Определить убыль массы припоя m₂ из-за испарения и окисления по формуле (3.4) и сведениям табл. 3.1.

6. Определить массу корректирующих компонентов припоя из соотношений (3.8) и (3.9).

7. Определить временной интервал между корректировками расплава припоя в ванне, пользуясь соотношениями (3.10), (3.11) и (3.12), а также данными табл. 3.1. Оформить табл. 3.3 (см. форму табл. 3.3).

8. При < 0,5 ч следует увеличить массу припоя в ванне и выполнить расчет повторно.

9. В выводах отразить полученный результат и личное мнение исполнителя задания о возможности усовершенствования расчетной методики а также слабые стороны и перспективность реализации принципа функционирования АСУТП, а кроме того, возможные пути его совершенствования.

Пример выполнения задания практического занятия

Решение задания практического занятия 3 может быть проведено в последовательности, которую покажем на примере.

1) Определяем массу коммутационной платы, пользуясь формулой (3.1) и данными табл. 3.1:

= =(10∙9,5∙0,06)∙(1,42+3,0)=25,194 г.

2) Найдем минимальную массу припоя в ванне по формуле (3.2):

M =30∙ =30∙25,194=755,82 г.

3) Определяем наибольшую допустимую убыль массы припоя в ванне, используя данные табл. 3.1:

=0,05∙755,82 =37,791 г.

4) Находим убыль припоя из-за переноса его на контактные площадки плат по формуле (3.5) и данным табл. 3.1:

=(10,0∙9,5)∙10∙(0,1∙0,1∙0,001)∙8,5=0,0646 г.

5) Определяем убыль припоя из-за испарения и окисления по формуле (3.4):

= =0,001656 г.

6) Находим массу корректирующих компонентов припоя по формулам (3.8) и (3.9):

М_Pb=0,39∙m₁+0,20∙m₂==0,39∙0,0646+0,20∙0,001656=0,0255 г;

М_Sn=0,61∙m₁+0,80∙m₂=0,61∙0,0646+0,80∙0,001656=0,0407 г.

7) Определяем время, затрачиваемое на пайку одной ячейки электронного устройства (ЭУ) по формуле (3.11):

= =0,006338 ч;

при этом производительность технологического оборудования, определяемая по формуле (3.12) составит:

= =157,77 ч^-1.

8) Находим временной интервал между корректировками расплава припоя в ванне по формуле (3.10):

= =3,615 ч.

Результаты выполнения задания представляем в виде табл. 3.3.

Таблица 3.3