XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Введение

Пайка компонентов печатной платы — это процесс выполнения механического и электрического соединения платы и электронных элементов с помощью расплавленного металла — припоя. При этом сама плата и контактные поверхности монтируемых компонентов не подвергаются плавлению из-за разницы температуры плавления припоя и металлических контактов.

 Из-за широкого распространения поверхностного монтажа наибольшее применение получила групповая пайка оплавлением в конвекционных печах. Плата, после нанесения на неё припоя и установки компонентов, помещается в печь, где происходит одновременное плавление и соединение всех компонентов. Технические требования к выполнению технологических операций определены ГОСТ Р 56427-2015 [1].

При групповой пайке поверхностного монтажа одновременно производится пайка всех контактов. Наиболее часто применяются [2]:

1. Инфракрасная пайка.

2. Конвекционная пайка.

3. Конденсационная пайка.

В данной работе проводится анализ сущности процесса пайки в парогазовой фазе (конденсационная пайка), её достоинств и недостатков.

Сущность технологии

Пайка в паровой фазе (конденсационная пайка) – это наиболее простой и надежный метод пайки. Основной физический принцип процесса заключается в передаче тепла за счет конденсации пара на электронном модуле. Источником образования пара является химически инертная, безвредная, не вызывающая коррозии жидкость, которая может сочетаться с любыми материалами. Температура кипения такой жидкости составляет 200°C, при использовании свинцовосодержащих припоев, или 230°C, при использовании бессвинцовых припоев. При индивидуальных требованиях к условиям пайки, может использоваться жидкость с температурой кипения от 160 до 260°C. Выход на режим в установках пайки в паровой фазе заключается в получении нужной концентрации пара в камере пайки. В процессе кипения жидкости над ванной поднимается пар, не содержащий кислорода и с молекулярным весом выше воздуха, таким образом, вытесняя из камеры пайки воздух, и образует бескислородную среду для пайки без использования дополнительных инертных газов, таких как азот. Как только изделие попадает в камеру пайки, на нем начинает конденсироваться пар, передавая изделию свое тепло. Независимо от времени нахождения изделия в камере пайки его температура никогда не превысит температуру пара. Из чего следует безупречная повторяемость процесса и отсутствие перегрева.

Область применения

Мелкое и среднесерийное производство.

Описание технологии

Таблица

Стадии технологического процесса пайки в парогазовой фазе

№	Описание стадий технологического процесса	Изображение
1	Электронный модуль, с установленными на паяльную пасту компонентами, перемещается в зону пайки. Во избежание термоудара, он может быть предварительно нагрет ИК-излучением или верхним слоем паров кипящей жидкости меньшей температуры.
2	Модуль погружается в пар, таким образом, нагреваясь. Модуль выводится на режим предварительного нагрева, т.е. выдерживается при температуре активации флюса заданное время (140°С для свинцовосодержащих паяльных паст и 180°С для бессвинцовых паяльных паст).
3	Изделие перемещается в более низкое положение камеры пайки (ближе к кипящей жидкости), где концентрация пара наиболее высока. Что позволяет нагреть изделие с заданным градиентом до температуры оплавления припоя.
4	Изделие достигает максимальной температуры - температуры пара. Эту температуру модуль не может превысить физически, как долго он бы не оставался в камере пайки.
5	После того, как изделие покидает зону пайки на нем остается конденсированная жидкость, но, благодаря тому, что изделие имеет более высокую температуру по сравнению с окружающей средой, она вся испаряется, и установку покидает сухое изделие.

Применяемое оборудование

Для реализации пайки печатных плат в парогазовой фазе применяются специальные установки. Например, от компании IBL Löttechnik GmbH серии VAC с модулем вакуумирования [3] (рис.1). Производители электронных модулей встречаются с таким дефектом при пайке компонентов в корпусах BGA как пустоты в шариковых выводах после пайки.

Рис.1. Установки компании IBL Löttechnik GmbH серии VAC

При использовании систем пайки в паровой фазе с вакуумированием, на испытуемых образцах удалось снизить процент пустот в паяных соединениях с 90% до менее 10% (по данным рентгеновской томографии). Подобного результата удалось добиться, интегрировав в систему уникальный модуль вакуумирования. Суть которого заключается в том, что откачка воздуха происходит непосредственно во время цикла пайки, без перемещения платы с расплавленным припоем.

При использовании метода пайки в паровой фазе и откачке воздуха, весь процесс пайки проходит в инертной среде, и, в отличие от метода, когда откачка воздуха начинается после того, как изделие покинуло зону пайки (рис.2) не требует дополнительных подключений азота. Кроме того, для компенсации скачка температуры, возникающего при перемещении изделия из зоны пайки в зону вакуумирования, необходима жидкость с более высокой температурой кипения (Galden LS230 вместо LS200 для свинцовосодержащих припоев). Чем выше температура кипения, тем выше стоимость жидкости. Таким образом, разница в цене за килограмм жидкости между LS200 (температура кипения 200°С, применима для свинцовосодержащих припоев) и LS230 (температура кипения 230°С применима для бессвинцовых припоев) на российском рынке составляет около 30 Евро. Единоразовая заправка в подобные печи необходима в объеме 40 кг жидкости, также необходимо пополнение по мере эксплуатации, что ведет к дополнительным значительным затратам.

Рис. 2. Схема процесса пайки в паровой фазе при откачке воздуха

Достижимая точность обработки

Данный метод допустим для плат средней и высокой степени сложности (плотный монтаж, многослойные платы, массивные компоненты с большой теплоемкостью)

Достоинства, недостатки

Достоинства:

Не требуется тщательная отработка термопрофилей, поскольку перенос энергии осуществляется за счет конденсации и градиент температуры фактически зависит только от массы изделия;

Невозможно нагреть компоненты выше температуры пара (200°С для свинцовых или 230°С для бессвинцовых припоев);

Идеальная повторяемость процесса пайки;

Одинаковая температура в любой точке печатной платы, и как следствие, исключение коробления плат из-за неравномерного прогрева;

Пайка проходит в инертной атмосфере, при этом нет затрат на дополнительное оборудование;

Процесс применим к любым компонентам, включая любые типы BGA и QFN;

Возможен прогрев ПП как сверху, так и снизу;

Низкие производственные затраты, благодаря минимизации расхода жидкости для пайки, а также низкому потреблению электроэнергии, по отношению к традиционным конвекционным печам;

Рабочая жидкость для пайки не токсична, не имеет срока хранения, не требует специальных условий для хранения и утилизации;

Наличие обзорного окна, что дает возможность визуально контролировать процесс;

Только пайка в парогазовой фазе полностью соответствует требованиям стандарта ISO 9000;

Выход на режим занимает не более 15-20 минут;

При использовании вакуумной установки пайки в парогазовой фазе значительно снижает количество пустот в шариковых выводах корпусов BGA.

Недостатки:

Применима только к сборкам с поверхностным монтажом.

Литература

ГОСТ Р 56427-2015 Пайка электронных модулей радиоэлектронных средств. Автоматизированный смешанный и поверхностный монтаж с применением бессвинцовой и традиционной технологий. Технические требования к выполнению технологических операций. [Электронный ресурс]. URL: http://docs.cntd.ru/document/1200121321. (дата посещения: 27.01.2020)

Гормаков, Анатолий Николаевич. Конструирование и технология электронных устройств. Печатные платы: учебное пособие / А. Н. Гормаков, Н. А. Воронина; Томский политехнический университет (ТПУ). — Томск: Изд-во ТПУ, 2006. — 152 с.: ил.. — Учебники Томского политехнического университета. —Библиотека приборостроителя.

Системы пайки в паровой фазе VAC [Электронный ресурс]. URL: https://ostec-smt.ru/catalog/equipment/ostec-smt/sistemy-payki-v-parovoy-faze-vac/ (дата посещения: 27.01.2020)

Код для цитирования: Скопировать