Пайка двойной волной припоя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

на тему: «Пайка двойной волной припоя»

Содержание

Введение в технологию поверхностного монтажа

1. Анализ существующих технологических процессов монтажа на поверхность

1.1 Основные виды технологических процессов монтажа ЭРЭ

2. Методы пайки

2.1 Пайка волной припоя

2.2 Процесс пайки волной припоя

2.3 Циклограмма процесса пайки волной припоя

2.4 Пайка двойной волной припоя

2.5 Пайка в «закрытых» системах. Защитный газ

3. Принцип действия защитного газа

4. Сравнение технологий пайки в "открытых" и "закрытых" системах

5. Выбор режимов пайки волной припоя

5.1 Параметры конвейера

5.2 Нанесение флюса

5.2.1 Нанесение флюса распылением

5.2.2 Метод пенного флюсования

5.3 Предварительный нагрев

5.4 Выбор режимов пайки с двойной волной припоя

6. Влияние примесей на результаты пайки волной припоя

6.1 Контроль примесей в припое

6.2 Рекомендации по взятию проб

6.3 ПДК примесей в припое

6.4 Корректировка состава припоя

7. Дефекты пайки волной припоя

8. Выбор печатной платы для монтажа и разработка технологического процесса с использованием пайки двойной волной припоя

Заключение

Список литературы

Введение в технологию поверхностного монтажа

Технология поверхностного монтажа компонентов обладает важнейшим критерием прогрессивности, обеспечивает миниатюризацию аппаратуры при одновременном росте ее функциональной сложности. Это отвечает требованиям рынка электронных изделий. По этой причине технология поверхностного монтажа компонентов (ТПМК) будет внедряться в технологию производства новых изделий с такой быстротой, как этого требует рынок, и, с другой стороны, как это позволяют темпы освоения методов поверхностного монтажа.

Процесс поверхностного монтажа охватывает позиционирование и установку компонентов, пайку, контроль, испытание и ремонт. Современное состояние освоения каждого из этих этапов и их совокупности все еще не позволяет получать высокий выход годных изделий при низких затратах, ожидаемых от применения ТПМК. Кроме того, для успешного внедрения ТПМК в производство современной микроэлектронной аппаратуры необходима увязка вопросов технологичности на этапах конструкторского проектирования изделий.

Техника поверхностного монтажа способствовала появлению множества новых портативных потребительских изделий видеокамеры высокого разрешения, переносные телефоны, калькуляторы, малогабаритные компьютеры и т.д.

1. Анализ существующих технологических процессов монтажа на поверхность

Несмотря на очевидное преимущество поверхностного монтажа, в настоящее время при проектировании и производстве РЭА применяются как монтаж на поверхность, так и монтаж в отверстия. Это связано с тем, что конструктивные исполнения ряда компонентов не пригодны для поверхностного монтажа.

Применение двух групп компонентов--монтируемые в отверстия (КМО) и монтируемые на поверхность (КМП) печатных плат, а также, одно- или двусторонняя их установка на плате дает шесть основных конструктивных исполнений функциональных узлов, которые реализуются с помощью различных технологий.

Если в конструкции изделия используют только КМП (исполнение 1 и 2, табл. 1), то изделие изготавливают методами технологии монтажа на поверхность (ТМП). При использовании только компонентов, монтируемых в отверстия (исполнение 6) изделие изготавливают по традиционной технологии--монтажа в отверстия (ТМО). В остальных случаях (конструктивные исполнения 3,4,5) применяют комбинированную технологию, т. е. совместно ТМП и ТМО.

1.1 Основные виды технологических процессов монтажа ЭРЭ

Рассмотрим конструктивное исполнение 1(см. табл. 1).

В данной конструкции применяют только монтируемые на поверхность компоненты, которые устанавливают с одной стороны печатной платы (КМП1). Для исполнения 1 характерна высокая плотность компоновки. Пайку компонентов в основном проводят в паровой фазе (ПФ) инфракрасным излучением (ИК) на плоских нагревателях (ПН). При этом используют припойную пасту. Данный технологический процесс наиболее широко применяется в настоящее время.

Монтаж компонентов по КМП1 состоит из следующих операций (рис. 1):

нанесение припойной пасты через трафареты на контактные площадки печатной платы; установка компонентов на контактные площадки; оплавление припойной пасты; промывка платы печатной в сборе; контроль паяных соединений; ремонт (при необходимости).

В первоначальных вариантах технологического процесса пайку проводили паяльником на полуавтоматических установках; использовали также лазерную и импульсную пайку.

В первом случае применяли проволочный припои, который автоматически подавался к месту пайки, во втором и третьем--применяли фольгу из припоя, которой опрессовывали выводы КМП с нижней стороны, а также предварительно обслуживали контактные площадки и выводы КМП. Несмотря на относительно низкую производительность и высокую стоимость по сравнению с групповыми методами пайки, эти методы и в настоящее время получили распространение при изготовлении специальной аппаратуры.

При монтаже компонентов по КМП1 возможно применение пайки волной припоя, хорошо зарекомендовавшую себя в традиционной технологии монтажа в отверстия (ТМО) по следующей схеме:

нанесение клея на поверхность платы; установка КМП на контактные площадки; полимеризация клея; поворот платы на 180°; пайка волной припоя.

Недостатком метода является необходимость применения только КМП, устойчивых к действию расплавленного припоя, при этом достигнуть требуемого качества соединений оказалось невозможным, так как резко возрастает количество перемычек между выводами, а также непропаев вследствие эффекта тени.

Качество соединений можно повысить за счет применения паяльных паст и групповых методов их оплавления ИК нагревом в паровой фазе, а также на плоских нагревателях.

Технологический процесс включает в себя сушку припоя пасты для удаления летучей части, особенно при пайке в паровой фазе. В настоящее время данная операция исключена, так как состав паст улучшен до уровня качества, не требующего этой операции.

Рис. 1. Схема технологического процесса монтажа ТМП ФУ исполнения 1 (процесс типа I): а -- нанесение паяльной пасты; б -- установка КМП1; в -- оплавление пасты

В промышленности широко применяют конструктивное исполнение 2 (см. табл. 1), т. е. КМП на верхней и нижней сторонах платы (КМП1 и КМП2). Такая сборка обеспечивает наивысшую плотность компоновки печатных плат, приближаясь по своим параметрам к гибридным интегральным схемам (ГИС).

Изготовление проводят методами ТМП по следующей схеме (рис. 2):

на контактные площадки печатной платы наносят пасту припоя;

в местах установки элементов наносят расчетную дозу клея;

проводят установку элементов (КМП1);

осуществляют полимеризацию клея УФ или ИК излучением;

пасту припоя оплавляют;

плату переворачивают и наносят пасту припоя;

устанавливают компоненты (КМП2);

проводят оплавление пасты припоя;

проводят промывку сборки и ее контроль.

Таблица 1

При такой последовательности операций используют установки, в которых пайка осуществляется ИК излучением с односторонним нагревом.

При пайке в паровой фазе (ПФ), а также ИК излучением на установках с нижним и верхним расположением излучателей операцию оплавления пасты после установки КМП1 не проводят. Нанесение клея и приклеивание после установки КМП1 необходимо для предотвращения их отделения от платы при оплавлении пасты. Однако эта операция для КМП1 с малым числом выводов (в корпусах MELF, SOT и SOIC) может быть исключена, поскольку компоненты в этом случае удерживаются на поверхности силами поверхностного натяжения припоя.

Рис. 2. Схема технологического процесса монтажа ТМП ФУ исполнения 2 (процесс типа I): а -- нанесение пасты; б -- нанесение клея; в -- установка КМП1; г -- полимеризация клея и оплавление пасты; д -- переворот платы; е -- нанесение пасты; м -- установка КМП2;1 з -- сушка и оплавление пасты

В конструктивном исполнении 3 (см. табл. 1) применяют компоненты обоих типов--монтируемые на поверхность (КМП) и в отверстия (КМО) на верхней стороне печатной платы.

Конструктивное исполнение этого типа применяют при отсутствии ряда компонентов, предназначенные для поверхностного монтажа. Плотность компоновки элементов ниже, чем в случае конструктивного исполнения 2.

Сборку проводят по комбинированной технологии, включающей следующие операции (рис. 3):

нанесение на поверхность платы пасты припоя;

установка КМП1;

оплавление пасты припоя;

установка в отверстия КМО1;

пайка волной припоя;

промывка сборки и ее контроль.

Рис. 3. Схема технологического процесса монтажа ТМП ФУ исполнения 3: а -- нанесение пасты; б -- установка КМП1; в сушка и оплавление пасты; г-- установка КМО1; д -- пайка КМО2 двойной волной припоя

Конструктивное исполнение 4 включает КМП на нижней стороне платы, КМО--на верхней стороне (см. табл. 1). Это конструктивное исполнение возможно осуществить, используя только один способ пайки--волной припоя. Для устранения трудностей, связанных с пайкой многовыводных КМП, применяют специальные методы пайки, такие как пайка двойной волной припоя, волной типа «Омега», реактивной струей и др.

Сборку и монтаж проводят в следующей последовательности (рис. 4): на поверхность платы наносят дозатором клей; устанавливают КМП1; клей полимеризуют УФ и (или) ИК излучением; плату переворачивают; устанавливают КМО2; проводят одновременную пайку КМП1 и КМО2 волной припоя; промывают сборку и проводят контроль.

К недостаткам такого конструктивного исполнения следует отнести сложность обрезки выводов КМО2 при использовании высокопроизводительных серийных установок обрезки.



Рис. 4. Схема технологического процесса монтажа ТМП ФУ исполнения 4 (процесс типа II): а -- нанесение клея; б -- установка КМП1; в -- полимеризация клея; г -- переворот платы; д --установка КМО2; е -- пайка КМП1 и КМО2 двойной волной припоя

Конструктивное исполнение 5 (КМП на нижней и верхней стороне платы, КМО--на верхней стороне) позволяет использовать все типы компонентов, т.е. преимуществом данного конструктивного исполнения является отсутствие какого-то либо ограничения по выбору компонентов, при этом исполнении плотность компоновки на уровне исполнения 4 и 3, но ниже, чем при исполнении 2. Технологический процесс сборки и монтажа ТМП этого исполнения состоит из следующих операций:

на печатную плату дозатором наносят клей;

проводят установку КМП1;

клей полимеризуют с помощью УФ и (или) ИК излучения;

печатную плату переворачивают;

наносят с помощью трафарета пасту припоя;

устанавливают КМП2;

производят оплавление пасты припоя в паровой фазе, либо ИК излучением;

устанавливают КМО2;

производят совместно пайку КМП1 и КМО2 волной припоя;

сборку промывают и контролируют.

Возможен другой вариант технологического процесса по исполнению 5 (рис. 5) со следующими операциями:

наносят припойную пасту;

устанавливают КМП1;

припойную пасту оплавляют любым методом (ИК, ПФ, ПН);

печатную пасту переворачивают;

наносят дозатором клей;

устанавливают КМП2;

клей полимеризуют;

плату еще раз переворачивают;

монтируют в отверстия КМО2;

производят совместную пайку КМП2 и КМО2 волной припоя;

проводят пайку КМП2 с помощью концентрированного потока горячего воздуха (горячих воздушных ножей).

Преимущества этого способа -- снижение времени сборки и стоимости оборудования за счет пайки всех компонентов за один проход на одной установке.

В последнем рассматриваемом нами конструктивном исполнении 6 применяют только монтируемые в отверстия компоненты на верхней стороне платы (КМО). Сборку проводят по классической технологии монтажа в отверстия (ТМО). В настоящее время данный технологический процесс наиболее автоматизирован и производителен, при этом достигнуты высокие уровни качества.

Таким образом, рассмотрение всех шести видов конструктивных исполнений плат печатных в сборке и их технологий показывает, что каждое исполнение имеет преимущества перед остальными. Выбор той или иной конструкции определяется совокупностью требований к функциональному узлу для конкретного вида аппаратуры.

Следует отметить, что в зарубежной практике принята отличная от рассмотренной классификация технологических процессов сборки ТМП функциональных узлов (ФУ), в основу которой положены не конструктивные исполнения ФУ, а технологические способы их изготовления. Все технологические процессы разделены на три группы: тип I (А), II (В) и III (С) (см. табл. 1). Технологический процесс типа I используют для изготовления узлов исполнения 1 и 2, типа II--для исполнения 4, типа III--для исполнения 5.

2. Методы пайки

Пайка означает соединение металлических поверхностей. Соединительным средством является припой, температура плавления которого ниже точки плавления, подлежащих соединению деталей.

При групповой пайке компонентов на ПП должно осуществляться одновременное получение всех, расположенных в одной плоскости, паяных соединений, причем для всех соединений должно быть обеспечено достаточное качество.

В технологии поверхностного монтажа компонентов для пайки компонентов на печатной плате применяются следующие методы пайки:

- пайка двойной волной припоя;

- пайка расплавлением дозированного припоя в парогазовой фазе;

- инфракрасная пайка;

- лазерная пайка;

- другие методы пайки.

2.1 Пайка волной припоя

Пайка волной припоя появилась 30 лет назад и в настоящее время достаточно хорошо освоена. Она применяется в основном для пайки компонентов в отверстиях плат (традиционная технология), хотя с ее помощью можно производить пайку поверхностно монтируемых компонентов с несложной конструкцией корпусов, устанавливаемых на одной из сторон коммутационной платы. Процесс пайки прост (см. рис. 6). 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 (см. рис. 7), 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.

Рис. 6. Пайка волной припоя



Рис. 7. Схема использования “горячего” воздушного ножа 1 - печатная плата; 2 - сопло; 3 - струя горячего воздуха; d - расстояние от сопла до платы; б - угол взаимодействия воздушной струи с платой

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.

2.2 Циклограмма процесса пайки волной припоя

Рис. 8. Циклограмма процесса пайки волной

Параметры процесса пайки волной

Параметры	Комментарии
Предварительный нагрев	Температура на стороне печатной платы со смонтированными компонентами в течение предварительного нагрева должна быть достигнута 45°С (с максимальной скоростью нагрева не более 2°С/сек) и перед процессом пайки 85°С
Время смачивания	Время между моментом начала контактирования между припаиваемыми элементами и припоем и моментом, когда припой начинает затвердевать
Время задержки	Время между моментом начала контактирования между припаиваемыми элементами и припоем и моментом окончания контактирования с припоем (Время должно быть примерно 2-4 сек)
Время пайки	Время между фактическим соприкосновением печатной платы с припоем и началом затвердевания (время задержки + 5…10 сек)
Время затвердевания	Время, в течение которого припой станет твердым на поверхности печатной платы
Время охлаждения	Принудительное охлаждение после пайки уменьшает максимальную температуру, достигнутую на стороне печатной платы со смонтированными компонентами

2.3 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 (см. рис. 9).

Рис. 9. Пайка двойной волной припоя

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 SOT-89, поскольку он имеет довольно массивный центральный вывод, что затрудняет его равномерное смачивание припоем (и растекание припоя) по всей поверхности. В волне типа “Омега” объединены преимущества двухволновой системы в одной волне (см. рис. 10). В системе используют вертикальную заслонку, совершающую горизонтальные колебания с малой амплитудой, в результате чего на поверхности припоя возникает турбулентный участок с высоким уровнем давления на плату.

Рис. 10. Схема пайки волной типа “Омега” 1 - вибрирующая заслонка; 2 - турбулентный участок припоя; 3 - припой

2.5 Пайка в "закрытых" системах. Защитный газ

Химически неактивные газы нашли применение в качестве защитных газов при пайке волной, но их высокая стоимость делает их непригодными для промышленного использования. Азот является единственным неактивным газом, который содержится в атмосфере в количестве 75%, чем объясняется его сравнительная дешевизна. Являясь инертным, азот имеет относительно низкую химическую активность. По этой причине он используется для удаления воздуха или кислорода из зоны пайки. Таким образом, исключается окисление спаиваемых компонентов. Следовательно, паяемые поверхности очень чисты, так как исключена возможность распада испаренных компонентов флюса и активаторов. Это очень важно для процесса пайки, так как можно избежать использования значительного количества жидких активаторов, которые предназначены для удаления окисла с припойной пасты. При пайке волной припоя газообразный азот вводится в зону пайки специальным соплом и постоянно в ней циркулирует.

3. Принцип действия защитного газа

Впервые технология пайки в среде защитного газа была применена в конце 70-х годов XX века компанией Siemens. Кожух паяльной системы заполнялся защитным газом и, следовательно, был очищен от кислорода. Кожух представлял собой шлюзовую систему и полностью изолировал паяльную камеру от окружающей атмосферы. Но такая система обладала значительными недостатками: высокая стоимость и низкая производительность, так как требовалось значительное время на загрузку, откачку и разгрузку. Кроме того, так как камера постоянно откачивалась и осуществлялся постоянный напуск защитного газа, расход последнего представлял огромные экономические затраты. Вскоре появилась система Nitrogenius, которая обеспечивала полное удаление кислорода из зоны пайки без необходимости вакуумирования системы и минимальный расход защитного газа. Система представляла собой паяльную камеру в форме туннеля с керамическими или стеклянными крышками. Таким образом, зона пайки освобождалась от кислорода с минимальными затратами. Напустив защитный газ через специальное сопло, вы можете использовать разницу в весе защитного газа и кислорода для удаления последнего из зоны пайки.

4. Сравнение технологий пайки в "открытых" и "закрытых" системах

В обычных системах для пайки волной воздух и, соответственно, кислород легко попадает в зону пайки. Это приводит к окалинам на поверхности пайки, которые, зачерпываясь волной припоя, могут проникать в зоны соединения элементов - как минимум, снижение надежности паяных соединений. В закрытых системах пайки волной таких процессов не происходит благодаря отсутствию кислорода в зоне пайки.

5. Выбор режимов пайки волной припоя

Эффективная работа оборудования, снижение расхода технологических материалов, повышение качества и надежности паяных соединений - главные задачи при организации производства. Далее приводятся рекомендации по выбору параметров и режимов при пайке волной припоя.

5.1 Параметры конвейера

Угол наклона конвейера в установках пайки волной припоя может регулироваться в пределах 5 - 9°, оптимальный угол наклона, обеспечивающий стекание избытка припоя и препятствующий образованию перемычек и сосулек припоя, составляет 7°. Скорость конвейера выставляется с учетом ритма работы всей производственной линии, температуры предварительного нагрева и времени контакта печатной платы с волной припоя. В общем случае для обеспечения хорошего качества пайки рекомендуется выставлять скорость в пределах 90 - 150 см/мин.

5.2 Нанесение флюса

Флюсование является важнейшей составной частью процесса пайки. Важно обеспечить качественное нанесение флюса и контроль. Основной задачей жидких флюсов при пайке волной - это удаление оксидной пленки со спаиваемых поверхностей. Это уменьшает поверхностное натяжение расплавленного припоя и предотвращает оксидирование до начала пайки. Без флюса припой не будет связывать металл поверхностей соединения. Жидкий флюс может наноситься распылением, использоваться в пенообразователе в волновой технологии. Жидкий флюс представляет собой смесь растворителей (обычно изопропиловый спирт или другой растворитель с высокой температурой кипения) в которых растворены активаторы (обычно мягкие кислоты). Флюс может содержать канифоль, которая в нагретом состоянии обладает кислотными свойствами. К тому же, флюс может содержать смачивающие вещества, а также антикоррозионные добавки. Твердые составляющие, входящие в состав флюса, состоят из канифоли, смачивающих веществ и активаторов, количество которых отражено в процентном содержании по весу от всего количества флюса. Низкое содержание твердых веществ позволяет получать более чистый край паяного соединения (если используется безотмывочный флюс). При использовании "водосмывных" флюсов, остатки, полученные после пайки, требуют смывки, поскольку такие флюсы могут содержать повышенное количество кислот и галоидов (соединения с хлором, бромом, фтором или йодом). Если в состав флюса входят галоиды, это означает, что он обладает большей активностью и, следовательно, с помощью такого флюса можно паять трудно спаевыемые соединения. Но такие вещества не используются повсеместно, т.к. являются очень коррозионно-активными.

5.2.1 Нанесение флюса распылением

Метод распыления считается все более популярным. Метод распыления позволяет уменьшить расход флюса, обеспечить точное и равномерное нанесение флюса, уменьшить возможность образования капель. Давление распыления флюса подбирается опытным путем. Если установить давление слишком низким капли флюса становятся больше и имеют нестабильный размер. В свою очередь, чрезмерно высокое давление может приводить к отражению флюса от печатной платы, это приводит вместо улучшения качества смачивания к большему расходу флюса, загрязнению печатных плат и оборудования. Необходимо проверить количество флюса нанесенного на печатную плату. Флюс должен покрывать всю поверхность равномерным слоем. В случае наличия «сухих» полос или пятен, следует немного увеличить давление и повторить эксперимент. Если проблема не устраняется путем незначительного увеличения давления, корректировку параметров процесса флюсования следует осуществлять в комбинации с изменением других параметров: скорости конвейера и режимами подачи флюса. В случае применения флюсов с высокой плотностью, таких как VOC-free (флюсы на водной основе) давление распыления следует увеличить на 10 - 20% по сравнению с флюсами на спиртовой основе. На рис. 11 изображена схема флюсования при помощи вращающегося сетчатого барабана. В барабан подают сжатый воздух, который, проходя через сетку, создает струю из мелких частиц жидкого флюса. На величину осаждаемого флюса оказывают влияние четыре параметра:

скорость движения конвейера

скорость вращения барабана

давление воздуха

вязкость флюса

При изменении этих параметров толщину слоя флюса можно менять в пределах от 1 до 10 мкм. К устройству флюсования предъявляют следующие требования:

однородность нанесенного слоя флюса, толщиной от 1 до 10 мкм в сухом состоянии

регулируемая скорость вращения барабана от 0 до 20 об/мин

угол падения струи около 30° относительно поверхности платы

давление воздуха переменное от 0 до 250 кПа (0-2.5 бар), без загрязнения парами масла



Рис. 11. Флюсование при помощи вращающегося сетчатого барабана 1 - жидкий флюс; 2 - сжатый воздух; 3 - сетчатый барабан; 4 - печатная плата

пайка двойная волна припой дефект

5.2.2 Метод пенного флюсования

Для нанесения флюса методом пенного флюсования применяются трубчатые фильтры, которые образуют мелкопузырчатую пену, обеспечивающую улучшенное смачивание, особенно при сквозной металлизации. Кроме того, такие фильтры обладают повышенной надежностью, меньше забиваются и даже выход из строя одного из элементов не ведет к нарушению производственного процесса. Заполните флюсователь до максимального уровня. Начинайте работу с минимального давления, постепенно увеличивая давление, добейтесь стабильной и качественной формы шапки пены. Конкретная величина давления зависит от конструкции системы пайки. Оптимальные условия нанесения флюса обычно достигаются при высоте шапки пены не более 2 см, при этом следует исключить затекание флюса на верхнюю сторону печатной платы.



Рис. 12. Пенное флюсование 1 - жидкий флюс; 2 - сжатый воздух; 3 - аэратор; 4 - печатная плата

Пену направляют на поверхность платы при помощи специального сопла. Плату перемещают вдоль сопла, при этом при этом флюсуется нижняя ее сторона. Лопающиеся пузырьки пены разбрызгивают флюс, который проникает во все отверстия платы. К пенному флюсующему устройству предъявляются следующие требования:

установка должна создавать однородные диаметром 1…2 мм пузырьки, что можно достигнуть только при полностью свободных всех воздушных каналов аэратора

высота пены должна регулироваться в диапазоне от 0 до 15 мм

аэратор должен легко заменяться

в случае отказа устройства флюсования процесс пайки должен немедленно прекращаться

5.3 Предварительный нагрев

Предварительный нагрев обеспечивает:

Подогрев подлежащих пайке электронных компонентов с целью уменьшения термоудара

Удаление растворителя из флюса

Активацию флюса

Выбор температуры предварительного нагрева зависит от конструкции печатных плат, а также от температуры испарения растворителя. Для флюсов на спиртовой основе общепринятыми являются следующие режимы:

Тип печатной платы	Температура на плате
Односторонняя	80 - 90°C
Двухсторонняя	90-120°С
Многослойная (до 4-х слоев)	105-120°С
Многослойная (более 4-х слоев)	110-130°С

Особенное внимание следует уделить подогреву при работе с многослойными печатными платами, который должен обеспечить качество пайки сквозных металлизированных отверстий. Изменение температуры на стадии предварительного нагрева должно осуществляться со скоростью не более 2°С/сек. В случае недостаточного прогрева и неполного удаления растворителя флюса при пайке происходит выделение газов в волну припоя, это ухудшает смачивание и может приводить к непропаям вводов компонентов.

5.4 Выбор режимов пайки с двойной волной припоя

В современных условиях при пайке печатных плат с применением компонентов поверхностного монтажа применяются установки с двойной волной припоя. Температура припоя в зоне пайки может устанавливаться в пределах от 235 до 260°С. Более низкая температура пайки позволяет минимизировать термоудар по электронным компонентам. Более высокая температура до 260°С как правило устанавливается при пайке многослойных печатных плат. Для обеспечения хорошего качества паяных соединений необходимо обеспечить суммарное время пайки в пределах от 2,5 до 4 сек. Время контакта с припоем также зависит от температуры пайки. Например, как правило, при температуре 250°С достаточно 2,5 сек, а при 235°С время пайки необходимо увеличить до 3,5 сек. Реальную температуру на поверхности печатных плат можно измерить с помощью устройства измерения температурных профилей, например, Sensor Shuttle. Для установки высоты волны припоя рекомендуется использовать тестовые термоустойчивые стеклянные платы с миллиметровой шкалой. При оптимальной высоте волны припой должен покрывать 1/3 толщины печатной платы. Охлаждение рекомендуется осуществлять со скоростью от 2 до 5°С/сек с целью предотвращения теплового удара по компонентам и печатным платам.

6. Влияние примесей на результаты пайки волной припоя

В процессе пайки волной припоя печатных узлов состав припоя постоянно меняется, в основном снижается содержание олова. Кроме того, припой насыщается примесями. Увеличение количества дефектов, появление матовых и пористых паяных соединений свидетельствует о загрязнении припоя примесями. Примеси оказывают влияние на текучесть припоя, припой становится более вязким, появляются перемычки и сосульки припоя, что приводит к дорогостоящим и трудоемким ремонтным работам. Дефекты пайки, вызванные примесями, могут проявляться как в процессе производства ПУ, так и в процессе эксплуатации изделия. Для достижения высоких результатов пайки необходима организация эффективного контроля примесей в припое.

6.1 Контроль примесей в припое.

Контроль примесей осуществляется путем химического анализа припоя. Проверка включает:

Выборочный анализ нового припоя загружаемого в ванну (при пополнении или замене)

Анализ в ванне установки пайки волной припоя проводится не реже 1 раза в месяц для установок с загрузкой ванны 100-110 кг и не реже 1 раза в 3 месяца для установок с загрузкой больше 300 кг.

6.2 Рекомендации по взятию проб

Оловянно-свинцовые сплавы при затвердевании проявляют тенденцию к расслаиванию при медленном охлаждении, в результате этого на отдельных участках может происходить обогащение припоя примесями, что приводит к неправильным результатам анализа. Поэтому для взятия проб рекомендуется:

Обеспечить температуру в ванне с припоем не ниже 240°С

Использовать черпак для взятия проб из нержавеющей стали

Взятие проб производится при включенных волнообразователях

Результаты анализа должны содержать процентно-весовые доли следующих элементов: Си, Ag, Au, Zn, A1, Cd, Sb, As, Bi, Fe, Ni, P. Точность измерений должна составлять 0,001%.

6.3 ПДК примесей в припое

Если степень загрязнения припоя для пайки превышает установленные нормы, то следствием этого являются технологические дефекты. В связи с этим на предприятиях внутренними нормативами должны устанавливаться допустимые максимальные степени загрязнения припоя и определяться периодичность анализа припоя. Влияние примесей на качество расплавленного припоя приведено в таблице 2. Как видно из таблицы, требования отечественных и зарубежных нормативных документов "слегка" отличаются. Следовательно, наиболее дешевые припои, даже удовлетворяющие требованиям отечественного ОСТ 4Г 0.054.267, не обязательно наиболее экономичны с точки зрения срока жизни в ванне, надежности и качества паяных соединений.

6.4 Корректировка состава припоя

При превышении хотя бы одного из предельно допустимых показателей по примесям ванна для пайки считается не пригодной для использования. Однако в очень редких случаях необходима полная замена содержимого ванны, как правило, замене подвергается лишь часть припоя. Превышение допустимого предела для каждого элемента примеси (А) может быть определено по формуле:

А = ((С - В) / В) * 100%,

где С - результат анализа, В - допустимое значение. В результате удвоения полученного результата определяется количество припоя подлежащего замене, при этом степень загрязнения ванны по данной примеси уменьшается до 50% предельно допустимого значения. Пример: Измеренное содержание Cu в ванне составило 0,28%. Предельно допустимое содержание Cu в ванне 0,25%. Содержание ванны 500 кг.

А = ((0,28 - 0,25) / 0,25) * 100% = 12% (превышение допустимой концентрации примеси Cu на 12%). Таким образом, количество припоя подлежащего замене составляет 24% от объема ванны. Замена 24% от 500 кг = 120 кг. Необходимо заменить 120 кг припоя в ванне новым припоем. Снизить концентрацию следующих примесей в припое также возможно с применением перфорированного черпака: Cu до 0,17 - 0,19%, Fe до 0,01% и Au до 0,15%.

Таблица 2

Наименование примесей	ПДК примесей вванне припоя, %	Влияние превышения предельно допустимой концентрации (ПДК) примесей в припое на качество пайки
	по ОСТ 4Г0.054.267	по зарубежным стандартам
Медь	0,50	0,05 - 0,08	Припой более вязкий, поверхности паек зернистые, увеличивается время смачивания, припой прилипает к плате
Золото	0,20	0,08	Образуются хрупкие соединения с оловом и свинцом, приводящие к снижению прочности паяного соединения, тусклая поверхность пайки
Железо	0,02	0,01-0,02	Зернистая поверхность пайки, образуется FeS2
АлюминийЦинкКадмий	0,00800080,008	0,001- 0,0050,001 - 0,0050,001 - 0,005	Повышает температуру плавления, зернистая и тусклая поверхность пайки, увеличивается скорость окисления поверхности расплавленного припоя, снижается коэффициент растекания припоя.
Висмут	1,0	0,05 - 0,1	Потускнение припоя и поверхности паяного соединения

7. Дефекты пайки волной припоя

Недостаточное заполнение отверстий припоем

Причины	Методы корректировки
Выделение газа:Неполное испарение растворителя флюса на стадии предварительного нагрева. Присутствие влаги.	Увеличить время или температуру предварительного нагрева. Обеспечить просушку печатных плат перед сборкой
Низкая плотность флюса	Проверить и скорректировать плотность флюса
Высокая скорость конвейера	Снизить скорость конвейера
Низкая температура предварительного нагрева.	Повысить температуру предварительного нагрева
Загрязнение флюса	Заменить флюс
Наличие большого количества примесей в припое, изменение состава припоя	Произвести анализ состава припоя, определить источник загрязнений, откорректировать состав припоя
Плохая паяемость отверстий и контактных площадок	Проконтролировать паяемость контактных поверхностей, произвести очистку перед сборкой
Неправильное соотношение диаметров отверстия и вывода компонента	Изменить конструкцию отверстия

Отсутствие припоя/плохое смачивание.

Определяется по отталкиванию припоя от поверхностей, которые должны быть спаяны.



Причины	Методы корректировки
Высокое содержание защитного масла в волне	Откорректировать содержание и распределение масла в волне.
Неправильное соотношение диаметров отверстия и вывода компонента	Изменить конструкцию отверстия. Увеличить время пайки
Недостаточное время и температура пайки	Повысить время/температуру пайки
Недостаточная активность флюса/загрязнение флюса	Проконтролировать плотность, качество и количество наносимого флюса Флюс должен покрывать всю поверхность печатной платы равномерным слоем без пропусков и пятен. Проконтролировать чистоту флюса.
Высокая скорость конвейера	Откорректировать скорость конвейера.
Чрезмерное загрязнение припоя, попадание шлама на плату	Проконтролировать содержание примесей в припое, произвести его замену
Отсутствие контакта плат с припоем	Отрегулировать расстояние между волной и печатной платой
Плохая паяемость плат и компонентов	Проконтролировать паяемость плат и компонентов.
Загрязнение печатных плат	Очистить платы перед сборкой

Разбрызгивание шариков припоя

Определяется по очень маленьким сферическим каплям припоя, разбрызганных по поверхности печатной платы.

Причины	Методы корректировки
Выделение газа. Неполное испарение растворителя флюса на стадии предварительного нагрева. Присутствие влаги.	Увеличить время или температуру предварительного нагрева. Обеспечить просушку печатных плат перед сборкой.
Неравномерность волны	Повысить равномерность волны
Высокая плотность флюса	Откорректировать плотность флюса
Низкая температура предварительного нагрева	Увеличить температуру предварительного нагрева
Высокая скорость конвейера	Снизить скорость конвейера
Пористая структура паяльной маски	Используйте качественную паяльную маску

Перемычки припоя

Причины	Методы корректировки
Недостаточная активность или количество флюса	Использовать более активный флюс, увеличить плотность флюса
Низкая температура пайки	Увеличить температуру пайки.
Недостаточный подогрев печатных плат	Увеличить температуру, время предварительного нагрева.
Загрязнение припоя, попадание шлама на плату	Откорректировать содержание примесей в припое, удалить шлам
Неправильная ориентация микросхем по направлению к волне припоя	Конструкция печатных плат должна соответствовать требованиям стандарта IPS-SM-782A
Неоптимальный угол выхода платы из волны припоя	Откорректировать угол наклона конвейера.

Сосульки и шипы припоя

Причины	Методы корректировки
Недостаточная активность или количество флюса	Использовать более активный флюс, увеличить плотность флюса.
Высокая скорость конвейера	Снизить скорость конвейера
Неоптимальный угол выхода платы из волны припоя	Откорректировать угол наклона конвейера. Оптимальный угол - 7°
Низкая температура пайки	Увеличить температуру пайки
Большие открытые контактные площадки	Изменить конструкцию платы. Использовать более активный флюс
Плохая паяемость плат	Очистить платы перед сборкой

Шероховатая, зернистая, «холодная» пайка, трещины в паяном соединении

Причины	Методы корректировки
Наличие большого количества шлама и примесей в припое	Произвести анализ состава припоя, определить источник загрязнений, Откорректировать состав припоя откорректировать состав припоя.
Недопустимое соотношение температура-время предварительного нагрева/пайки	Откорректировать температуру предварительного нагрева/пайки или скорость конвейера.
Смещение компонентов во время застывания припоя.	Проверить настройки оборудования, исключить вибрацию конвейера.

Наплывы (избыточное количество) припоя

Причины	Методы корректировки
Неправильная скорость конвейера	Подберите оптимальную скорость конвейера.
Недопустимое соотношение температура-время предварительного нагрева/пайки	Откорректировать температуру предварительного нагрева/пайки или скорость конвейера.
Неправильная форма волны, угол наклона конвейера	Отрегулировать настройки параметров оборудования.
Большая высота волны припоя или низкая скорость конвейера	Уменьшить высоту волны/увеличить скорость конвейера.
Коробление платы	Заменить материал платы.

8. Выбор печатной платы для монтажа и разработка технологического процесса с использованием пайки двойной волной припоя

Выбранная мной плата служит для обработки сигналов входного устройства, выдачи результатов на жидкокристаллический индикатор (ЖКИ) и звукового сигнала на устройство звуковой сигнализации.

Плата выполнена из стеклотекстолита СФ-2Н-35Г-1. Этот материал обладает высокими механическими и диэлектрическими свойствами, повышенной влагостойкостью. Диапазон рабочих температур от -60°С до 480°С.

В качестве элементной базы тонометра выбраны следующие электрорадиоэлементы.

Список элементов

Обозначение	Наименование и тип элемента
DA1 DD1 DD2 DD3	М/сх MAX8 66EUA М/сх MC74HCO2D М/сх MC74HC161D М/сх MSP430P325PG
UD1, UD2	Диод SM5819
BQ1	Резонатор кварцевый C-002RX
С11, С12 Cl С2,С5,С10,С1 С4	ЧИП - конденсаторы 0805 15пФ 0805 100пФ 1206 0.1мкФ 1206 0.22мкФ
СЗ С6 - С9	Танталовые конденсаторы 68мкф 150мкФ
R3 R4 R1 R6 R2, R5, R7 R8 - R9	ЧИП-резисторы 0805 180кОм 0805 240кОм 1206 820кОм 1206 20кОм 1206 100кОм 1206 680кОм
L1	ЧИП-катушка ндуктивности 1812 330 мкГн
HG1	ЖКИ Т218010
НА1	Излучатель пьезоэлектрический звуковой НРМ14АХ
S1	Кнопка тактовая SHT-2
XS1	Панелька SCH-10

При разработке технологического процесса на данную плату мной были использованы типовые техпроцессы на пайку двойной волной припоя.

Технологический процесс представляет собой сложный комплекс действий исполнителей и оборудования по преобразованию исходных материалов и комплектующих элементов в готовое изделие. Он состоит из комплекса частных технологических процессов изготовления входящих в них узлов, деталей и технологических процессов сборки, монтажа, регулировки и испытаний. Технологические процессы изготовления конкретной аппаратуры базируются на типовых технологических процессах.

К типовым технологическим процессам относятся:

1) входной контроль комплектующих;

2) технологическая тренировка комплектующих и узлов;

3) сборка;

4) электрический монтаж;

5) технический контроль монтажа и сборки;

6) защита изделия от влияния внешней среды;

7) технологическая тренировка изделия;

8) регулировка (настройка) изделия;

9) испытания изделия;

10) выходной контроль.

Таким образом, технологический процесс изготовления блока, субблока или функционального узла представляет собой, как правило, комплексный процесс, правильное построение которого возможно лишь на основе его предварительного проектирования, часто с применением математического моделирования.

Основными документами при разработке технологических процессов являются технологические карты. В картах указываются структура технологического процесса и его содержание, последовательность выполнения операций, режимы, применяемое оборудование, технологическая оснастка, порядок монтажа, методы регулировки, контроля и т. п.

Технологические процессы состоят из отдельных операций.

Операцией называется часть технологического процесса, выполняемая над определенной деталью (или над совокупностью нескольких деталей или сборочных единиц) одним рабочим (или отдельной группой рабочих) непрерывно и на одном рабочем месте. Операция технологического процесса - основная единица производственного планирования.

Как правило, технологический процесс делят на операции, а операции на переходы. Мной разработан технологический процесс монтажа платы двойной волной припоя в мультиплицированной заготовке.

Заключение

В данной курсовой работе был проведён анализ существующих технологических процессов монтажа на поверхность, рассмотрены основные виды технологических процессов монтажа ЭРЭ. Описаны различные методы пайки, особое значение было уделено методу волной припоя. На основе курсовой работы было показано, что данный метод в настоящее время достаточно хорошо освоен и применяется в основном для пайки компонентов в отверстиях плат (традиционная технология), хотя с ее помощью можно производить пайку поверхностно монтируемых компонентов с несложной конструкцией корпусов, устанавливаемых на одной из сторон коммутационной платы. В курсовой работе даны рекомендации по взятию проб для правильного получения результатов анализа, а также методы корректировки с дефектами пайки волной припоя.

Список литературы

ГОСТ 17325. Пайка. Термины и определения.

Международные стандарты IPC-TR-460A и IPC-S-816.

Монтаж на поверхность: Технология. Контроль качества/ В.Н. Григорьев, А.А. Казаков, А.К. Джинчарадзе и др.; Под общей редакцией И.О. Шурчкова - М.: Издательство стандартов, 1991 - с.184.

Основы технологии поверхностного монтажа/ Сускин В.В. - Рязань: Узорочье, 2001 - с.160.

Технологии в электронной промышленности/ главный редактор Павел Правосудов - ООО « Издательство Файнстрит», №1.2006 - с.92.

Технологии в электронной промышленности/ главный редактор Павел Правосудов - ООО « Издательство Файнстрит», №3.2006 - с.76.

Размещено на Allbest.ru