Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
СБОРКА ПЕЧАТНЫХ УЗЛОВ ЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ НА ОСНОВЕ ПОВЕРХНОСТНОГО МОНТАЖА
Поверхностно монтируемые компоненты.
Для PTH и SMT разработок выбор компонентов влиянет на стоимость изделия, и время его изготовления. В процесс разработки любой печатной платы должно входить помимо проектирования принципиальной электросхемы, также проблемы выбора компонентов, их совместимости друг с другом, стоимость (как компонентов, так и процесса их установки) и ремонтопригодность всей платы.
На данный момент широкое применение получили только две технологии монтажа компонентов на печатные платы, это PTH (Pin - Through - Hole) и
SMT ( Surface - Mount - Technology). У каждой из этих технологий есть свои достоинства и недостатки.
Использование SMD компонентов вместо традиционных, монтируемых в отверстия, позволило заметно сэкономить в месте, значительно понизить стоимость затрат на установку, тестирование сами Чип-компоненты. Основными ЧИП-компонентами являются ЧИП и MELF резисторы, использование в которых полимерных резисторов недопустимо, по параметрам точности, шуму или стабильности.
ЧИП-конденсаторы заменили крупногабаритные конденсаторы, монтируемые в отверстия.
Преимущества SMT:
Меньшие размеры компонентов приводят к уменьшению размеров плат, что уменьшает себестоимость. Типичное SMT преобразование уменьшает пространство на плате до 30 % размера за счет отсутствия отверстий.
1. Большее количество функциональных возможностей для размера платы. 2. Компоненты могут легко размещаться с обеих сторон p.c. плата, что увеличивает плотность размещения.
3. Меньший размер изделия и вес могут уступать приведенным издержкам упаковки и увеличиваемое оборота рынка.
4. Меньшая масса изделия и более низкий профиль изделия могут улучшать вибро и ударопрочностные свойства.
5. Некоторые более новые компоненты доступны только в SMT модулях.
6. Ручная сборка PTH компонентов, которая заменяется автоматической сборкой SMT компонентов, потенциально уменьшает полные издержки производства.
7. SMT пайки имеет более высокий потенциал для выходов, чем пайка волной SMT или PTH компонентов. Пайка волной все еще считается, надежным процессом, но она может уступать по незначительно большему количеству дефектов.
8. При наличии требуемого оборудования процесс перепайки и замены элементов на SMT проще, чем на PTH платах. Удобная подача SMT интегральных схем может быть удаляться и заменяться неоднократно с той же самой платы без повреждения интегральной схемы или плату, что нельзя сделать с 40-pin DIP интегральными схемами (ИС).
Недостатки SMT:
1. Платы с SMT компонентами требуют специальной разработки и автоматизированного проектирования (CAD).
2. Экономически оправданным методом применения SMT компонентов при изготовлении печатных плат является наличием оборудования автоматизации сборки.
3. Ручная сборка практически не допустима.
4. Применение обычного паяльника при ремонте SMT плат не допустимо.
5. Любые технические изменения влекут за собой изменения расположения компонентов и требуют новых затрат, таких как изготовление нового трафарет для клея и т. п., что влечет за собой дополнительные расходы.
6. Некоторые разработки требуют применения DIP компонентов. При сборки таких плат приходиться применять автоматическую установку PTH и SMT компонентов, что увеличивает издержки на выполнение дополнительных сборочных шагов. В таких случаях, есть такие платы, реализация которых на DIP компонентах имела бы меньшую стоимость сборочной операции.
7. При применении SMT появляются дополнительные издержки на программирование процесса автоматизации сборки и изготовление трафаретов.
Типы SMT сборок (Surface-Mount Technology - технология
поверхностного монтажа) сборки.
В электронной промышленности существует шесть общих типов SMT сборки, каждому из которых соответствует свой порядок производства. Когда разработчик выбирает тип сборки, его целью должна быть минимизация числа операций, так как каждая операция может увеличивать промышленную стоимость.
Существует специальный стандарт, в котором представлены основные виды сборок, разбитые по классам.
SMC и IPC документация по поверхностному монтажу на платы,
IPC-7070, J-STD-013 и National Technology Roadmap for Electronic Interconnections включают следующие классификацию следующих схемы поверхностного монтажа:
Тип 1 - монтируемые компоненты установлены только на верхнюю сторону или interconnecting structure
Тип 2 - монтируемые компоненты установлены на обе стороны платы или interconnecting structure
Класс А - только through-hole (монтируемые в отверстия) компоненты Класс В - только поверхностно монтируемые компоненты (SMD)
Класс С - смешанная: монтируемые в отверстия и поверхностно монтируемые компоненты
Класс Х - комплексно-смешанная сборка: through-hole, SMD, fine pitch, BGA
Класс Y - комплексно-смешанная сборка: through-hole, surface mount, Ultra fine pitch, CSP
Класс Z - комплексно-смешанная сборка: through-hole, Ultra fine pitch, COB, Flip Chip, TCP
Операции используемы при различных типах сборки:
Нанесение пасты и установка SMT компонентов на верхнюю сторону платы.
Нанесение пасты и установка SMT на нижнюю сторону платы.
Нанесение клея и установка SMT компонентов на нижнюю сторону платы с последующем его высыханием.
Автоматическая установка DIP компонентов.
Автоматическая установка координатных компонентов (такие как светодиоды и т.п.).
Ручная установка других компонентов.
Пайка волной или пайка инфракрасным излучением.
Промывка плат.
Ручная пайка компонентов.
Ниже будут рассмотренны основные варианты размещения компонентов на плате, применяемые разработчиками. Варианты, где используются корпуса компонентов типа: Ultra fine pitch, COB, Flip Chip, TCP пока не рассматриваются, так как российскими разработчиками печатных плат они почти не используются.
Тип 1В: SMT Только верхняя сторона
Этот тип не является общим так как большинство разработок требует некоторых DIP компонентов. Его называют IPC Type 1B.
Порядок проведения процесса: нанесение припойной пасты, установка компонентов, пайка, промывка.
Тип 2B: SMT Верхние и нижние стороны
На нижней стороне платы размещаются чип-резисторы и другие компоненты небольших размеров. При использовании пайки волной, они будут повторно оплавляться за счет верхнего (побочного) потока волны припоя. При размещение больших компонентов с обеих сторон, типа PLCC, увеличивают издержки производства, потому что компоненты нижней стороны должны устанавливаться на специальный токопроводящий клей. Данный тип называется IPC Type 2B.
Порядок проведения процесса:
- нанесение припойной пасты, установка компонентов, пайка, промывка нижней стороны;
- нанесение припойной пасты на верхнюю сторону печатной платы, установка компонентов, повторная пайка, промывка верхней стороны.
Cпециальный тип: SMT верхняя сторона в первом случае и верхняя и нижняя во втором, но PTH только верхняя сторона.
Этот метод установки используется, когда имеются DIP компоненты, в SMT сборке. Процесс включает размещение DIP компонентов, вставляемых в отверстия перед SMT пайкой. При использовании данного метода убирается лишняя операция пайки волной или ручной пайки PTH компонентов, что значительно уменьшает стоимость изделия. Первое требование - способность компонентов противостоять вторичной пайки. Кроме того, размеры отверстия платы, контактные площадки и геометрия трафарета должны быть точно совмещены, чтобы достичь качественной спайки. Плата должна иметь сквозные металлизированные отверстия и может быть односторонней или двухсторонний, то есть компоненты могут размещаться как с верхней так и с нижней стороны.
Обязательным требованием при использовании данного метода является наличие сквозных метализированных отверстий.
Порядок обработки односторонней печатной платы:
- нанесение припойной пасты,
- установка SMT компонентов,
- установка PTH компонентов,
- пайка,
- промывка верхней стороны.
Порядок обработки двухсторонней печатной платы:
- нанесение припойной пасты,
- установка SMT компонентов,
- повторное оплавление,
- промывка нижней стороны;
- установка PTH компонентов,
- пайка,
- промывка верхней стороны.
Тип 1С: SMT только верхняя сторона и PTH только верхняя сторона
Данный метод является смешанной технологией сборки. Все модули SMT и PTH установлены на верхней стороне платы. Допускается установка некоторых компонентов монтируемых в отверстия (PTH) на верхней стороне платы, где размещены SMT компоненты для увеличения плотности. Данный тип сборки называется IPC Type 1C.
Порядок проведения процесса:
- нанесение припойной пасты, установка, оплавление, промывка верхней части SMT;
- автоматическая установка DIP, затем осевых компонентов (такие как светодиоды);
- ручная установка других компонентов ;
- пайка волной PTH компонентов, промывка.
Тип 2С: SMT верхняя и нижняя стороны или PTH на верхней и нижней стороне
Установка поверхностно монтируемых и монтируемых в отверстия (DIP) компонентов с обеих сторон платы не рекомендуется из-за высокой стоимости сборки. Эта разработка может требовать большого объема ручной пайки. Также не применяется автоматическая установка PTH компонентов из-за возможных конфликтов с SMT компонентами на нижней стороне платы. Данный тип сборки называется IPC Type 2C.
Порядок проведения процесса:
- нанесение припойной пасты, установка, пайка, промывка верхней стороны SMT;
- нанесение специального токопроводящего клея через трафарет, установка, фиксация SMT;
- автоматическая установка DIP и осевых компоненты;
- маскирование всей нижней стороны PTH компонентов;
- ручная установка других компонентов;
- пайка волной PTH и SMT компонентов, промывка;
- ручная пайка нижней стороны PTH компонентов.
Тип 2C: SMT только нижняя сторона или PTH только верхняя
Даннный тип предполагает размещение поверхностного крепления с нижней стороны платы и PTH на верхней стороне. Он также является одним из очень популярных видов размещения, т.к. позволяет значительно увеличить плотность размещения компонентов. Тип имеет название IPC Type 2C.
Порядок обработки (PTH конфликтов на нижней стороне нет):
- нанесения клея через трафарет, установка, высыхания клея на нижней стороны SMT;
- автоматическая установка DIP, затем осевых компонентов;
- ручная установка других компонентов;
- пайка волной PTH и SMT компонентов, промывка.
Альтернативный порядок обработки (PTH конфликтов на нижней стороне):
- автоматическая установка DIP, затем осевых компонентов;
- точечное нанесение клея (диспенсорный метод), установка, высыхания клея на нижней стороны SMT;
- ручная установка компонентов;
- пайка волной PTH и SMT компонентов, промывка.
Тип 2Y: SMT верхняя и нижняя стороны или PTH только на верхней стороне
Данный тип позволяет располагать поверхностно монтируемые компоненты с обеих сторон платы, а DIP компоненты только на верхней. Это очень популярный вид сборки у разработчиков, позволяющий разместить компоненты с высокой плотность. Нижняя сторона SMT компонентов остается свободной от осевых элементов и ножек DIP компонентов. Например, нельзя размещать микросхемы между ножками DIP компонента.
Порядок проведения процесса (без размещения поверхносто монтируемых (SMT) между ножками монтируемых в отверстия (PTH) компонентов на нижней сторонеплаты):
1. нанесение припойной пасты, установка, пайка, промывка верхней стороны части SMT;
2. нанесение клея через трафарет, размещение, высыхание клея SMT на нижней стороне;
3. автоматическая установка DIP, а затем осевых компонентов;
4. ручная установка других компонентов;
5. пайка волной PTH и SMT компонентов, промывка;
Альтернативный порядок проведения процесса (на нижней стороне платы поверхносто монтируемых (SMT) компоненты размещены между ножек монтируемых в отверстия (PTH)):
1. нанесение припойной пасты, размещение, пайка, промывка верхней стороны части SMT;
2. автоматическая установка DIP, затем осевых компонентов;
3. точечное нанесение клея (диспенсорным методом), установка, высыхание клея на нижней стороны платы;
4. ручная установка других компонентов;
5. пайка волной PTH и SMT компонентов, промывка.
Технологический маршрут сборки печатных плат выглядит так.
Выбор припойной пасты
Припойные пасты, использовавшиеся ранее в производстве гибридных микросборок, были значительно улучшены применительно к технике поверхностного монтажа. Однако при разработке высоконадежного и экономически эффективного процесса изготовления изделий инженер-технолог должен выбрать припойную пасту с характеристиками, оптимально удовлетворяющими требованиям технологии производства конкретного изделия.
Характеристики припойных паст в первую очередь определяются их составом.
Состав припойных паст.
Припойные пасты, как правило, представляют собой смесь мелкодисперсного порошка материала припоя со связующей жидкой основой; при этом содержание порошка припоя составляет приблизительно 88 % от веса всей смеси (обычно этот показатель меняется в пределах от 85 до 92 %). Однако чаще всего состав припойных паст выражают через соотношение ингредиентов материала припоя. Так, например, 63/37 означает содержание в составе материала припоя 63 % олова и 37 % свинца, а 62/36/2-62 % олова, 36% свинца и 2 % серебра. Хотя оба этих состава довольно часто используются для приготовления припойных паст в ТПМК, существуют некоторые опасения, что присутствие в составе припоя добавки серебра способствует ускорению процесса выщелачивания серебра, входящего в состав материала выводов компонентов для поверхностного монтажа.
Характеристики частиц в припойных пастах.
Характеристики частиц материала припоя в припойной пасте оказывают существенное влияние на качество паяного соединения. Наиболее важным параметром, характеризующим припойный материал, является размер частиц припоя, который выражается в мешах (единицах измерений при классификации номеров сит). Так, 200/+325 означает припойную пасту, частицы которой проходят через сито номер 200, но не проходят через сито номер 325 после предварительного удаления крупнодисперсных частиц, т. е. их размер лежит в диапазоне 44-74 мкм. Если припойная паста наносится на коммутационную плату методом трафаретной печати, рекомендуется применять припойную пасту, у которой максимальный размер частиц припоя составляет половину размера ячейки трафарета.
Форма частиц материала припоя также оказывает существенное влияние на процесс трафаретной печати; считается, например, что использование в составе паст частиц припоя сферической формы облегчает процесс трафаретной печати, в то время как наличие частиц другой, отличной от сферической, формы может способствовать появлению загрязнений (например, трафарета), затрудняющих процесс печати. Частицы неправильной формы могут, кроме того, способствовать ускорению процессов окисления материалов припоя. Пульверизация расплавленного припоя, с помощью которой наиболее просто получить порошкообразные припои, образует частицы преимущественно сферической формы. Использование паст со сферическими частицами припоя позволило достичь требуемую воспроизводимость технологического процесса от одной партии изделий к другой при формировании рисунка припойной пасты.
Свойства флюсов.
Флюс в составе припойных паст служит не только для активации контактируемых металлических поверхностей, удаления с них окислов и предотвращения окисления припоя в процессе пайки (что необходимо для создания паяного соединения), но и обеспечивает требуемую растекаемость (реологию), а также изменение вязкости со временем (тиксотропность) при нанесении припойной пасты на коммутационную плату. Если состав припойной пасты имеет недостаточную вязкость, она будет растекаться, или "расползаться", что, несомненно, приведет к потере точности рисунка, обеспечиваемой трафаретом, а это в свою очередь может послужить причиной образования шариков припоя или перемычек в процессе пайки. Кроме того, количество припойной пасты, нанесенной на плату, в ряде мест может оказаться недостаточным из-за ее растекания по плате.
Для уменьшения растекания припойной пасты можно увеличить процентное содержание в ней порошка припоя. Можно также изменить химический состав флюса путем введения в него специальных вяжущих добавок (загустителей), но здесь нужно соблюдать меру, ибо в противном случае может произойти закупорка сопла дозатора или ячеек трафарета.
Флюс должен удалять окислы с контактируемых металлических поверхностей при пайке. Для эффективного протекания этого процесса очень важно правильно выбрать необходимый температурно-временной режим) пайки. Если во время разогрева платы температура повышается слишком быстро, то растворитель, входящий в припойную пасту в составе флюса, сразу испаряется, что приводит к потере активности флюса и разложению или выгоранию его компонентов; при этом расплавление припоя осуществляется неравномерно, а процесс пайки - непредсказуемо. Если же нагревательный цикл завершен преждевременно, то окислы в местах паяных соединений могут быть не полностью удалены. Формирование слоя припойной пасты рекомендуется производить в химически инертной атмосфере (для избежания окисления припоя).
Некоторые сборочно-монтажные системы разработаны с учетом этой возможности.
Общие замечания.
Используемая припойная паста должна быть пригодна для реализации выбранного способа пайки, например в ПГФ либо с ИК-нагревом. Кроме того, паста должна быть совместима с остальными операциями технологического цикла. Пока еще трудно утверждать, нужна ли просушка припойной пасты после ее нанесения на плату с целью предотвращения быстрого испарения растворителя во время пайки и, соответственно, исключения вероятности искажения заданного рисунка припойного слоя.
Просушка, несомненно, эффективна еще и с точки зрения улучшения фиксации компонентов, по крайней мере на период транспортировки собранной платы в зону пайки. И вместе с тем, если просушка паст применяется, то нужно принять соответствующие меры для предотвращения окисления припойного материала. При этом исправление брака и удаление припойной пасты существенно усложняются.
Промежуток времени между нанесением припойной пасты на коммутационную плату и процессом пайки является еще одним фактором, который нужно учитывать при выборе пасты; длительный промежуток времени может привести к ухудшению электрофизических параметров пасты. Припойная паста не должна ухудшать свои параметры не только в условиях термообработки при повышенной температуре, но и в условиях циклического воздействия температуры, которым подвергается плата как в процессе пайки, так и на других этапах изготовления изделия.
В дополнение к этому припойная паста должна быть стойкой к воздействию химических реактивов, используемых в ТПМК, особенно во время очистки смонтированных плат, в процессе которой применяются органические растворители на основе хлора и фтора, а также вода.
Несомненно, припойная паста должна быть совместима с материалами коммутационной платы, а также с технологическими процессами, в которых она участвует. Распространенными материалами выводов или внешних контактов электронных компонентов являются золото, серебро, палладий-серебро, медь, а также луженая медь, и припойная паста должна выбираться таким образом, чтобы исключить выщелачивание этих материалов в местах пайки и повысить надежность паяного соединения.
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.
Трафаретный метод
Диспенсорный метод
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.
Установка компонентов на плату.
Традиционные компоненты, монтируемые в отверстия были наиболее узким местом в процессе установки их на печатную плату, поскольку практически полностью исключали возможность автоматизации процесса.
Огромная экономия достигается внедрением технологии поверхностного монтажа в процессе установки компонентов. Гораздо проще и быстрее автоматизировать процесс установки поверхностно монтируемых компонентов, чем монтаж традиционных компонентов.
Автоматизация процесса установки поверхностно монтируемых компонентов стала возможной, благодаря их корпусной структуре - CHIP структуре и, следовательно, поэтому нет необходимости устанавливать компоненты в отверстия на печатной плате. Также надо сказать об автоматизации этого процесса, что большинство автоматических машин для установки компонентов, могу устанавливать все типы SMD компонентов.
Автоматическая и полуавтоматическая установка
Ручная установка
Автоматическая установка компонентов.
Машины для автоматической установки работают по трем основным принципам: поочередная, поочередно-одновременная и одновременная установка компонентов. В аппаратах поочередной установки один компонент все время устанавливается одной или двумя установочными головками. Поочередная установка, также может проводиться при помощи револьверной головки. В поочередно-одновременной установке несколько компонентов может быть установлено одновременно. Установочные машины одновременного типа, устанавливают все или возможно-большее количество компонентов за один раз.
Поочередные и поочередно-одновременные машины, также называются последовательными и их основное преимущество в гибкости настройки. Если машина поочередной установки оснащена револьверной головкой, скорость установки компонентов на печатную плату значительно возрастает. Эти машины могут устанавливать компоненты нескольких типов. Место установки компонента может быть легко изменено, а точность установки достаточно высока.
Машины одновременной установки компонентов значительно производительней. Скорость установки компонентов может достигать 300000 компонентов в час, однако эти машины не так просты и гибки в настройке. Если для изменения места установки компонента в машинах поочередного и поочередно-одновременного типа достаточно изменить программы, то для машины одновременной установки требуются значительные ложные механические изменения. Поэтому, эти машины используются, в основном, для особо больших партий изделий.
Ручная установка компонентов
Поверхностно монтируемые компоненты могут устанавливаться как в ручную, так и механически.
Ручная установка SMD компонентов проще, чем установка компонентов монтируемых в отверстия. Небольшие размеры и маленькое расстояние между проводниками вводит, однако, некоторые требования к рабочему инструменту и рабочей атмосфере. Чаще всего, эти компоненты устанавливаются на печатную плату при помощи вакуумного пинцета, использование различных насадок пинцета позволяет устанавливать компоненты практически всех типов.
Ручная установка вакуумным пинцетом нуждается в специальной технической поддержке, чтобы компоненты были установлены правильно и точно на контактные площадки печатной платы. Это и ограничивает производительность ручной установки до порядка 500 компонентов в час.
Пайка в SMT
Традиционная техника пайки волной припоя выполняется чаще всего погружением компонента в ванну с припоем. Для пайки на коммутационных платах компонентов в ТПМК обычно применяется метод расплавления дозированного припоя. Пайка расплавлением припоя в парогазовой фазе в настоящее время уступает место пайке с инфракрасным нагревом, лазерная же пайка пока не получила распространения. Ведущие поставщики сборочно-монтажного оборудования обычно включают установки для пайки в состав выпускаемых производственных линий.
Учет особенностей пайки на стадии проектирования изделий в сочетании с контролем режима процесса пайки снижает частоту появления дефектов на этапе пайки и очистки изделий до уровня (50-5000). Появление на коммутационных платах поверхностно монтируемых компонентов существенно изменило технологию пайки.
Пайка волной припоя была внедрена в 50-х гг. и до настоящего времени является единственным групповым методом пайки компонентов, устанавливаемых в отверстия коммутационных плат. Для пайки плат со смешанным монтажом (компоненты, монтируемые в отверстия с одной стороны платы и простые, монтируемые на поверхность (пассивные компоненты и транзисторы - с другой) был разработан метод пайки двойной волной припоя.
Технология пайки поверхностно монтируемых компонентов расплавлением дозированного припоя в парогазовой фазе (ПГФ) появилась в 1973 г., когда фирма DuPont разработала и запатентовала специальные жидкие материалы. В течение нескольких лет Western Electric была единственной фирмой, пользовавшейся преимуществами этой новой разработки. В 1975 г. фирма ЗМ предложила новые материалы для пайки в ПГФ, а один из изготовителей оборудования для пайки (фирма НТС) стал ведущим поставщиком систем пайки в ПГФ. С 1983 г.
Основным конкурентом пайки в ПГФ стала пайка расплавлением дозированного припоя с помощью инфракрасного нагрева (ИК-пайка).
Эта краткая история иллюстрирует те изменения, которые претерпела технология пайки в США с появлением компонентов для поверхностного монтажа. В Японии пайка компонентов, устанавливаемых на поверхность недорогих плат с низкой плотностью монтажа, производится с применением нагретой плиты (или приспособления). Для чувствительных к тепловому воздействию и сложных микросборок с поверхностным монтажом тремя ведущими японскими компаниями была разработана и реализована лазерная пайка.
В настоящее время в Японии наиболее широко распространена ИК-пайка, в то время как пайка в ПГФ еще только внедряется.
Освоение техники пайки применительно к аппаратуре нового поколения сдерживается недостаточной изученностью физико-химических процессов, протекающих при пайке. Пользователи, внедряющие компоненты для ТПМК, обычно выбирают наиболее приемлемые методы и режимы пайки, а также соответствующее оборудование после предварительных экспериментальных исследований. Эксперименты являются также неотъемлемой частью процесса совершенствования конструкции изделия с учетом особенностей пайки.
Пайка волной припоя
Пайка волной припоя появилась 30 лет назад и в настоящее время достаточно хорошо освоена. Она применяется только для пайки компонентов в отверстиях плат (традиционная технология), хотя некоторые изготовители утверждают, что с ее помощью можно производить пайку поверхностно монтируемых компонентов с несложной конструкцией корпусов, устанавливаемых на одной из сторон коммутационной платы.
Процесс пайки прост. Платы, установленные на транспортере, подвергаются предварительному нагреву, исключающему тепловой удар на этапе пайки. Затем плата проходит над волной припоя. Сама волна, ее форма и динамические характеристики являются наиболее важными параметрами оборудования для пайки. С помощью сопла можно менять форму волны; в прежних конструкциях установок для пайки применялись симметричные волны.
В настоящее время каждый производитель использует свою собственную форму волны (в виде греческой буквы "омега", Z-образную, Т-образную и др.). Направление и скорость движения потока припоя, достигающего платы, также могут варьироваться, но они должны быть одинаковы по всей ширине волны.
Угол наклона транспортера для плат тоже регулируется. Некоторые установки для пайки оборудуются дешунтирующим воздушным ножом, который обеспечивает уменьшение количества перемычек припоя. Нож располагается сразу же за участком прохождения волны припоя и включается в работу, когда припой находится еще в расплавленном состоянии на коммутационной плате. Узкий поток нагретого воздуха, движущийся с высокой скоростью, уносит с собой излишки припоя, тем самым разрушая перемычки и способствуя удалению остатков припоя.
Когда впервые появились коммутационные платы, с обратной стороны которых компоненты устанавливались на поверхность, их пайка производилась волной припоя. При этом возникло множество проблем, связанных как конструкцией плат, так и с особенностями процесса пайки, а именно: непропаи и отсутствие галтелей припоя из-за эффекта затенения выводов компонента другими компонентами, преграждающими доступ волны припоя к соответствующим контактным площадкам, а также наличие полостей с захваченными газообразными продуктами разложения флюса, мешающих дозировке припоя.
Пайка двойной волной припоя
Совершенствование конструкции платы оказалось недостаточным для достижения высокого уровня годных при традиционных способах изготовления изделий с простыми компонентами, монтируемыми на поверхность обратной стороны плат. Потребовалось изменить технологический процесс пайки волной, внедрив вторую волну припоя.
Первая волна делается турбулентной и узкой, она исходит из сопла под большим давлением (рис. 1). Турбулентность и высокое давление потока припоя исключает формирование полостей с газообразными продуктами разложения флюса. Однако турбулентная волна все же образует перемычки припоя, которые разрушаются второй, более пологой ламинарной волной с малой скоростью истечения.
Вторая волна обладает очищающей способностью и устраняет перемычки припоя, а также завершает формирование галтелей. Для обеспечения эффективности пайки все параметры каждой волны должны быть регулируемыми. Поэтому установки для пайки двойной волной должны иметь отдельные насосы, сопла, а также блоки управления для каждой волны. Установки для пайки двойной волной рекомендуется приобретать вместе с дешунтирующим ножом, служащим для разрушения перемычек из припоя.
Пайка двойной волной припоя применяется в настоящее время для одного типа коммутационных плат: с традиционными компонентами на лицевой стороне и монтируемыми на поверхность простыми компонентами (чипами и транзисторами) на обратной. Некоторые компоненты для ТПМК (даже пассивные) могут быть повреждены при погружении в припой во время пайки. Поэтому важно учитывать их термостойкость. Если пайка двойной волной применяется для монтажа плат с установленными на их поверхности компонентами сложной структуры, необходимы некоторые предосторожности:
- применять поверхностно монтируемые ИС, не чувствительные к тепловому воздействию;
- снизить скорость транспортера;
- проектировать коммутационную плату таким образом, чтобы исключить эффект затенения.
Хорошо разнесенные, не загораживающие друг друга компоненты способствуют попаданию припоя на каждый требуемый участок платы, но при этом снижается плотность монтажа. При высокой плотности монтажа, которую позволяет реализовать ТПМК, с помощью данного метода практически невозможно пропаять поверхностно монтируемые компоненты с четырехсторонней разводкой выводов (например, кристаллоносители с выводами). Чтобы уменьшить эффект затенения, прямоугольные чипы следует размещать перпендикулярно направлению движения волны. Трудно паять двойной волной припоя транзистор в корпусе 50Т-89, поскольку он имеет довольно массивный центральный вывод, что затрудняет его равномерное смачивание припоем (и растекание припоя) по всей поверхности.
Пайка расплавлением дозированного припоя с инфрокрасным (ИК)
нагревом
Процесс пайки компонентов, собранных на коммутационной плате, с помощью ИК-нагрева аналогичен пайке в ПГФ, за исключением того, что нагрев платы с компонентами производится не парами жидкости, а ИК-излучением.
Основным механизмом передачи тепла, используемым в установках пайки с ИК-нагревом, является излучение. Передача тепла излучением имеет большое преимущество перед теплопередачей за счет теплопроводности и конвекции в описанных ранее методах, так как это единственный из механизмов теплопередачи, обеспечивающий передачу тепловой энергии по всему объему монтируемого устройства. Остальные механизмы теплопередачи обеспечивают передачу тепловой энергии только поверхности монтируемого изделия. В отличие от пайки в ПГФ, в процессе пайки с ИК-излучением скорость нагрева регулируется изменением мощности каждого излучателя и скорости движения транспортера с коммутационными платами. Поэтому термические напряжения в компонентах и платах могут быть снижены посредством постепенного нагрева микросборок. Основным недостатком пайки с ИК-нагревом является то, что количество энергии излучения, поглощаемой компонентами и платами, зависит от поглощающей способности материалов, из которых они изготовлены. Поэтому нагрев осуществляется неравномерно в пределах монтируемого устройства.
Пайка кристаллоносителей без выводов или с J-образными выводами может оказаться невозможной в установках с ИК-нагревом, если компонент непрозрачен для ИК-излучения.
В некоторых установках для пайки с ИК-нагревом вместо ламп ИК-излучения применяются панельные излучающие системы. В этом случае излучение имеет намного большую длину волны, чем излучение традиционных источников. Излучение такой излучающей системы не нагревает непосредственно микросборку, а поглощается технологической средой, которая в свою очередь передает тепло микросборке за счет конвекции. Этот способ пайки устраняет ряд недостатков, присущих традиционной пайке с ИК-нагревом, таких, как неравномерный прогрев отдельных частей микросборки и невозможность пайки компонентов в корпусах, непрозрачных для ИК-излучения. Панельные излучатели имеют ограниченный срок службы и обеспечивают намного меньшую скорость нагрева, чем традиционные источники ИК-излучения. Однако при их использовании может не потребоваться технологическая среда из инертного газа.
Технологические установки пайки ИК излучением
В зависимости от соотношения температур источника излучения и нагреваемого объекта процессы нагрева можно разделить на термодинамически равновесные и неравновесные. При равновесном нагреве температура нагревателя и объекта близки друг к другу (например, нагрев в парах кипящей жидкости), при неравновесном - значительно отличаются. На практике желательно иметь равновесный режим нагрева, позволяющий устранить неравномерность нагрева и другие отрицательные факторы.
Первые установки ИК оплавления использовали для нагрева ламповые ИК излучатели с температурой 700-800° С. Поскольку температура пайки составляет 210-215° С, то режим нагрева значительно отличался от равновесного, при этом возникали перегретые участки, обусловленные, в частности, различной степенью черноты поверхностей. Улучшение характеристик установок было получено переходом на излучатели, работающие в средневолновом ИК диапазоне (3-10 мкм). Конструктивно такие излучатели представляют собой керамические панели больших размеров со значительным количеством воздушных камер, работающих при температуре 280-320° С. В таких устройствах до 60 % тепловой энергии доставляется к объекту за счет естественной конвекции, 40 % - при помощи средневолнового ИК излучения. Такие комбинированные установки производят нагрев объекта в режиме, близком к равновесному, и в настоящее время широко используются при монтаже ТМП ФУ.
Конструкция типичной установки ИК оплавления приведина на рис. 1.
Установка состоит из корпуса 1, внутри которого расположено несколько зон нагрева, в каждой из которых поддерживается заданный тепловой режим. В первой и второй зонах производят постепенный предварительный нагрев изделия 2 с помощью плоских нагревателей 3.
Пайку производят в третьей зоне быстрым нагревом объекта выше температуры плавления припоя с помощью кварцевых ИК ламп 4, затем объект охлаждают с помощью устройства 5.
Печатные платы транспортируются через установку на ленточном (обычно сетка из нержавеющей стали) конвейере 6. Режимы работы нагревателя и скорость конвеера регулируются с помощью микропроцессорной системы 7, температурный профиль вдоль установки отображается в графической и цифровой форме на экране дисплея 8. Характеристики температурного профиля, т. е. значения температур в каждой зоне , возможно изменять в широких пределах, также возможно иметь библиотеку типовых режимов оплавления для печатных плат различных типоразмеров.
Типовой температурный профиль
При мелкосерийном выпуске практически исключительно используется процесс пайки оплавлением с использованием инфракрасных излучателей, часто с принудительной вентиляцией для обеспечения равномерности нагрева. Типовой температурный профиль приведен на рисунке ниже:
Пайка расплавлением дозированного припоя в парогазовой фазе (ПГФ)
Пайка расплавлением дозированного припоя применима только к микросборкам с поверхностным монтажом. Она значительно отличается от ранее описанных методов. Процесс начинается с нанесения способом трафаретной печати припойной пасты на контактные площадки коммутационной платы. Затем на поверхность платы устанавливаются компоненты. В ряде случаев припойную пасту просушивают после нанесения, с целью удаления из ее состава летучих ингредиентов или предотвращения смещения компонентов непосредственно перед пайкой.
После этого плата разогревается до температуры расплавления. В результате образуется паяное соединение между контактной площадкой платы и выводом компонента. Такая техника пайки применима к коммутационным платам без монтируемых в отверстия компонентов, т. е. с набором только поверхностно монтируемых компонентов любых типов.
Метод пайки в парогазовой фазе является разновидностью пайки расплавлением дозированного припоя, в ходе которой пары специальной жидкости конденсируются на коммутационной плате, отдавая скрытую теплоту парообразования открытым участкам микросборки. При этом припойная паста расплавляется и образует галтель между выводом компонента и контактной площадкой платы. Когда температура платы достигает температуры жидкости, процесс конденсации прекращается, тем самым заканчивается и нагрев пасты. Повышение температуры платы, от ее начальной температуры (например, окружающей среды перед пайкой) до температуры расплавления припоя, осуществляется очень быстро и не поддается регулированию. Поэтому необходим предварительный подогрев платы с компонентами для уменьшения термических напряжении в компонентах и местах их контактов с платой.
Температура расплавления припоя также не регулируется и равна температуре кипения используемой при пайке жидкости. Такой жидкостью является инертный фторуглерод, например РС-70 производства фирмы ЗМ.
Существуют два типа установок для пайки в парогазовой фазе: с применением одной либо двух рабочих жидкостей. В первых установках для пайки в ПГФ применялись две рабочих жидкости (рис. 1), при этом использовались обычно несколько установок пайки в составе производственной линии.
С целью предотвращения утечки паров дорогого фторуглерода и припоя поверх основной технологической среды из инертного фторуглерода создавалась дополнительная технологическая среда из более дешевого фреона. Основной недостаток этих установок состоял в том, что на границе двух технологических сред происходило образование различных кислот. Поэтому для защиты коммутационных плат (защита коммутационных плат необходима в первую очередь от разрушающего действия кислот на материал коммутации (химическая, а затем электрохимическая коррозия). Кроме того, рабочая часть контейнера установки пайки в ПГФ должна изготовляться из коррозионностойкого материала, что отражается на стоимости такого оборудования) требовались системы нейтрализации кислот.
Установки для пайки с двумя рабочими жидкостями оказались непригодны для линий сборки электронной аппаратуры. Поэтому в 1981 г. фирмой НТС стали выпускаться установки для пайки в ПГФ, встраиваемые в технологические сборочно-монтажные линии. Такие установки имеют относительно небольшие входное и выходное отверстия, позволяющие реализовать систему с одной технологической средой (рис. 2).
Приведенная на рис. 2 конструкция обеспечивает возможность включения установки в состав технологической линии.
При использовании установки для пайки в ПГФ таких компонентов, как ЧИП-конденсаторы и ЧИП-резисторы, может возникнуть проблема, известная как "эффект опрокидывания компонента". Причина опрокидывания компонентов до конца не изучена, и универсальных средств для избежания этого в настоящее время не существует.
Необходимо варьировать параметры процесса пайки до тех пор, пока не прекратится опрокидывание компонентов.
Лазерная пайка
Лазерная пайка (пайка лучем лазера) не относится к групповым методом пайки, поскольку монтаж ведется по каждому отдельному выводу либо по ряду выводов. Однако бесконтактность приложения тепловой энергии позволяет повысить скорость монтажа до 10 соединений в секунду и приблизиться по производительности к пайке в паровой фазе и ИК излучением
По сравнению с другими методами лазерная пайка обладает рядом следующих преимуществ. Во время пайки печатная плата и корпуса элементов практически не нагреваются, что позволяет монтировать элементы, чувствительные к тепловым воздействиям. В связи с низкой температурой пайки и ограниченной областью приложения тепла резко снижаются температурные механические напряжения между выводом и корпусом. Выбор материала основания не является критическим.
Кратковременные действия тепла - 20...30 мс, резко снижаются толщина слоя интерметаллидов, припой имеет мелкозернистую структуру, что положительно сказывается на надежности ПС. Установки лазерной пайки могут быть полностью автоматизированы, при этом возможно использовать данные САПР для печатных плат.
Возможна пайка плат с высокой плотностью компоновки элементов, с размерами контактных площадок до 25 мкм, без образования перемычек на соседние соединения или их повреждения.
При использовании хорошо просушенной паяльной пасты выполненные с помощью лазерной пайки ПС не образуют шариков припоя или перемычек, в результате чего отпадает необходимость применять паяльные маски.
При использовании лазерной пайки нет необходимости в предварительном подогреве многослойной печатной платы, что обычно необходимо делать при пайке в паровой фазе для предотвращения расслоения платы. Не требуется также создавать какую-либо специальную газовую среду.
Процесс пайки ведется в нормальной атмосфере без применения инертных газов.