Продукция

Услуги

Пайка волной припоя - основные стадии технологического процесса

 

Установка пайки волной ПВ-2

В настоящее время пайка волной припоя применяется как для пайки навесных, так и SMD компонентов. Процесс пайки прост. Платы, установленные на транспортере, подвергаются флюсованию и 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.

 

 

Техпроцесс пайки волной припоя можно разбить на следующие операции:
 
  • флюсование, удаление избытка флюса;
  • предварительный нагрев;
  • пайка; 
  • охлаждение.

1. Флюсование

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.
 

Общие требования, классификация и методы испытаний современных жидких флюсов приведены в стандарте IPC/ANSI-J-STD-004 «Требования к флюсам для пайки».

Методы флюсования

Нанесение флюса обычно осуществляется двумя способами:
 
  • пенным флюсованием
  • распылением
Для нанесения флюса способом пенного флюсования применяются трубчатые фильтры, которые образуют мелкопузырчатую пену, обеспечивающую улучшенное смачивание, особенно при сквозной металлизации.
 
 

 
Достоинства этого способа нанесения флюса — низкая стоимость оборудования и простота настройки процесса флюсования. Из недостатков можно подчеркнуть - большой расход флюса и необходимость сливать флюс и тщательно промывать пенообразующий камень после каждого цикла пайки.
 

 

Трубчатые фильтры, которые образуют мелкопузырчатую пену

 

 

Оптимальные размеры пор камня составляют 3–10 мкм. Перед установкой камень необходимо вымыть в растворителе.
Оптимальных условий нанесения флюса можно достичь при высоте пены не более 2 см.
При пенном флюсовании следует исключить затекание, забрызгивание, задувание (воздушным ножом) флюса на верхнюю сторону печатной платы, в краевые разъемы.
 
Для удаления избытка флюса с поверхности печатной платы при пенном флюсовании
рекомендуется применять воздушный нож.
Это устройство позволяет сократить количество остатков флюса после пайки и уменьшает загрязнение зоны предварительного нагрева.
Оно представляет собой трубочку с отверстиями, просверленными по одной линии, в которую подается воздух под давлением. Воздушный нож устанавливают под конвейером, перпендикулярно последнему.
Рекомендуемый угол наклона воздушного ножа составляет 10° между плоскостью платы и плоскостью воздушного потока ножа. Направление воздушного потока ножа должно быть навстречу направлению движения платы. Расстояние между воздушным ножом и зоной флюсования должно быть не менее 10 см для предотвращения сдувания пены флюса.
 
 
Рекомендуемое расстояние между печатной платой и воздушным ножом — 5 см. Давление воздуха подбирается таким образом, чтобы обеспечить удаление избытка флюса. При этом флюс не должен попадать на верхнюю сторону печатной платы, в краевые разъемы. Воздушный поток также не должен сдувать пену флюсователя.
 
Флюсование распылением осуществляется с помощью распылительных форсунок, которые движутся (одновременно распыляя флюс) навстречу электронному модулю, движущемуся по конвейеру.
 
 
 
Способ флюсования распылением является предпочтительным по ряду причин:
1. Исключение загрязнения флюса окислами и другими загрязнениями, смываемыми с поверхности ПП.
2. Точный контроль толщины флюса, покрывающего печатную плату (от 1 до 2 мкм).
3. Снижение количества остатков флюса на плате после пайки.
4.Создание технологической предпосылки для перехода на безотмывочную технологию.
5. Снижение расхода флюса.
6. Почти полное исключение контакта флюса с воздухом, увеличение срока его службы.
7. Уменьшение испарения растворителя.
8. Уменьшение загрязнения зоны флюсования и предварительного нагрева.
 
Недостатком этого метода является высокая стоимость оборудования.
При флюсовании распылением следует исключить попадание флюса на верхнюю сторону печатной платы, в краевые разъемы.
 

2. Предварительный нагрев платы
 
Цель предварительного нагрева заключается в подготовке печатной платы к контакту с волной припоя и уменьшении термоудара.
Другой, не менее важный процесс — удаление растворителя. Неполное испарение растворителя приводит к беспорядочному образованию шариков припоя при контакте печатной платы и волны припоя.
 
Итак, предварительный нагрев необходим для:
• подогрева печатной платы с электронными компонентами с целью уменьшения термоудара;
• удаления растворителя из флюса;
• активации флюса.

Выбор температуры предварительного нагрева зависит от конструкции печатных плат,
температуры испарения растворителя.
 
Для предварительного нагрева используются нагреватели:
инфракрасные ИК, конвекционные, кварцевые.
 
Для флюсов на спиртовой основе общепринятыми являются режимы, приведенные в таблице:
 

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

 

При использовании флюсов на водной основе необходимо увеличить температуру предварительного нагрева до 130–140 °С (на печатной плате) для полного испарения воды (главное не переусердствовать и учесть температуру, которую выдерживают установленные на плату компоненты).

При работе с многослойными печатными платами особенное внимание следует уделить тщательному подогреву, который должен обеспечить качество пайки сквозных металлизированных отверстий.
Изменение температуры на стадии предварительного нагрева должно осуществляться со скоростью не более 2 °С/с.
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 выводов компонентов.

3. Пайка волной
 
Температура припоя в зоне пайки может устанавливаться в пределах от 235 до 260°С. Более низкая температура пайки позволяет уменьшить термоудар на электронные компоненты и печатную плату, окисление припоя, но вследствие увеличения поверхностного натяжения способна приводить к появлению непропаев, перемычек, шипов припоя. 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. Для однослойной платы при оптимальной высоте волны припой должен покрывать 1/3 толщины печатной платы.
 
Ориентировочные значения для глубины погружения печатной платы в волну припоя приведены в таблице:
 

Тип печатной платы

Глубина погружения в припой

Односторонняя

1/3 толщины платы

Двухсторонняя

2/3 толщины платы

Многослойная

3/4 толщины платы

 

При помощи компрессоров, в ванне с расплавленным припоем создаётся непрерывный поток - волна припоя, через который движется печатная плата с установленными на неё компонентами. При соприкосновении нижней части печатной платы с волной припоя происходит формирование паянных соединений.

 
 
 
Угол наклона конвейера рекомендуется устанавливать 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 конструкции платы, 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 0,7–1,3 м/мин.
 
Время пайки зависит от скорости конвейера и длины волны под печатной платой.
Для обеспечения хорошего качества паяных соединений необходимо обеспечить суммарное время пайки в пределах от 2,5 до 4 с. Время контакта с припоем также зависит от температуры пайки. Например, при температуре 250 °С обычно достаточно 2,5 с, а при 235 °С время пайки следует увеличить до 3,5 с.

Настройки конвейера, флюсователя и модуля предварительного нагрева зависят от типа печатных плат (ПП), типа установленных на ПП компонентов, состояния припоя и флюса. В каждом случае пайки требуется индивидуальный подбор.

 

Циклограмма процесса пайки волной припоя

 

Параметры процесса пайки волной

Параметры

Комментарии

Предварительный нагрев

Температура на стороне печатной платы со смонтированными компонентами в течение предварительного нагревадолжна 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

 

 

В ряде случаев используется двойная волна.

Первая волна делается турбулентной и узкой, она исходит из сопла под большим давлением. 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.
 
 
Примером нового подхода к технологии массовой пайки волной припоя является концепция «воздушного ножа».
Поток горячего воздуха, направленный на плату 1, удаляет с ее поверхности излишки припоя, перемычки и сосульки. Сопло 2 изготавливается из нержавеющей стали и имеет достаточную массу для удержания тепла. Встроенные нагреватели внутри сопла обеспечивают нагрев воздуха до температуры 375 - 390 °С при давления 0,3 МПа.
 
Горячий воздух направляется на паяемую сторону платы через 6-8 с после ее выхода из волны под углом (40-42)° на расстоянии до 20 мм от поверхности платы.


Поскольку нагрев воздуха сопровождается значительными затратами электроэнергии, установки оснащают автоматической системой, включающей подачу воздуха при выходе платы из волны.
Поток горячего воздуха, направленный на плату удаляет с нее излишки припоя, перемычки и сосульки.
 
Некоторые производители предлагают установки пайки волной в которых процесс пайки, для уменьшения процессов окисления, происходит в инертной среде.
 
Преимущества пайки в инертной среде в основном определяются следующими факторами:
уменьшается окисление;
улучшается смачиваемость паяемых поверхностей;
уменьшается образование оксидных пленок, снижается образование перемычек припоя;
за счет уменьшения окисления увеличивается поверхностное натяжение, в результате чего создаются условия для улучшения смачивания и растекания припоя;
появляется возможность использования флюсов с меньшей активностью, чем при пайке в воздухе;
сокращается образование шлама, что существенно увеличивает коэффициент технического использования оборудования за счет сокращения времени и периодичности обслуживания (для удаления шлама).
Недостатками данного способа являются:
• необходимость в транспортировке и хранении баллонов;
• увеличивается себестоимость.
 
4. Охлаждение
 
На выходе с конвейера необходимо избегать резкого охлаждения паяных узлов, чтобы не возникло термомеханических напряжений, источниками которых является значительная разница в линейном расширении материалов печатной платы и металлических компонентов паяного узла.

Назад к списку

Яндекс.Метрика