Технологии в электронной промышленности №6'2009

Параллельные процессы — одновременная пайка свинецсодержащим и бессвинцовым припоем на установке для пайки оплавлением

Ганс Белль (Hans Bell)

Перевод: Андрей Новиков

Для выполнения различных требований к температурному профилю для пайки оплавлением свинецсодержащих и бессвинцовых электронных модулей в производстве представлено наиболее выгодное решение для одновременной свинецсодержащей и бессвинцовой пайки на установке для пайки оплавлением с двухконвейерной системой, а также приведены результаты, полученные при использовании установки для пайки оплавлением Dual Lane VX немецкой компании Rehm.

Введение

Установленный директивой RoHS запрет на использование определенных материалов стал уже повседневностью в производстве во всем мире. Немногочисленные, временно ограниченные исключения из этой директивы заставляют многих производителей электроники работать одновременно с оловянно-свинцовыми, а также с бессвинцовыми припоями. Необходимые для этого отдельные линии поверхностного монтажа или постоянная перестановка параметров процесса отдельной линии на другой материал повышают производственные затраты. Альтернативой является параллельное проведение обоих процессов одновременно на установке для пайки оплавлением, что уменьшает затраты.

Технически эта задача может быть выполнена двумя различными способами:

  • Основная установка содержит расположенные рядом друг с другом две термические системы. Это означает, что наряду с конвейерами для перемещения присутствуют две отдельно регулируемые системы нагревания для установки температурного профиля пайки оплавлением. Речь идет о двух печах в одной, в связи с чем такая система становится, конечно, дороже.
  • При наличии одной термической системы могут быть реализованы различные температурные профили пайки оплавлением — с помощью двух независимых конвейеров перемещения. Этого удается достичь при использовании термодинамических возможностей системы передачи тепла. Преимущество данного способа в том, что затраты повышаются только за счет стоимости двухконвейерной системы.

Компания Rehm решила использовать второй способ.

Возможности термодинамики

Передача тепла между установкой для пайки оплавлением и электронным модулем может быть описана при помощи следующего соотношения:

q = α×t×A×ΔT,

где α— коэффициент теплообмена (Вт/м2K); t — время (с); A — площадь (м2); ΔT — разница температур (K).

При этом в процессе пайки оплавлением время определяется скоростью перемещения электронных модулей. Разная скорость перемещения при постоянно одинаковой разнице температур (температура печи минус температура электронных модулей) должна приводить к различным тепловым потокам в электронный узел. Иначе говоря — изменение скорости перемещения неизбежно влияет на температурный профиль, использующийся для конкретного электронного узла. Это отчетливо видно на рис. 1.

Рис. 1. Влияние скорости перемещения на профиль пайки оплавлением

При уменьшении скорости перемещения, то есть увеличении времени пребывания в печи, увеличиваются и все временны´е показатели пайки оплавлением (время предварительного нагрева, время над точкой плавления припоя, время охлаждения), максимально достижимые значения температуры возрастают, а разница температуры между малыми и большими термическими массами в электронном модуле уменьшается.

Таким образом, скорость перемещения оказывает огромное комплексное влияние на профиль пайки оплавлением, что заставляет задуматься: могут ли оловянно-свинцовые и бессвинцовые (SnAgCu) процессы пайки быть реализованы при одних и тех же температурах зон печи лишь при помощи различной скорости конвейера?

Для того чтобы дать наиболее полный ответ на этот вопрос, необходимо сначала определить рабочие окна для обоих процессов. При этом следует обратиться к нормам IPC/JEDEC J-STD-020D.1 и J-STD-075, которые определяют максимальные значения температуры пайки оплавлением (максимальная температура процесса Tp меньше допустимой температуры Tc) для соответствующих типов и классов электронных модулей. Нижние границы рабочего окна процесса могут быть вычислены из общего опыта по необходимому превышению температуры ликвидуса конкретного припоя для изготовления надежных паяных соединений. На рис. 2 изображены возможные рабочие окна процесса для чувствительных к влаге электронных компонентов. Конечно, при определении рабочего окна процесса необходимо всегда ориентироваться на наиболее «слабый» компонент — электронный компонент с наименьшей термостойкостью при пайке. Насколько это может быть сложно, показано на рис. 3. Здесь приведена максимальная температура процесса для больших и малых электролитических конденсаторов и чувствительных к влаге электронных компонентов в больших и малых корпусах. Таким образом, процесс пайки электролитических конденсаторов зачастую возможен лишь при определенных условиях.

Рис. 2. Рабочие окна процессов оловянно-свинцовой и бессвинцовой пайки
Рис. 3. Температура процесса пайки электронных компонентов, 
подверженных климатическим воздействиям, и электролитических конденсаторов

Если нужно провести два различных процесса параллельно на одной и той же установке для пайки оплавлением и если к тому же присутствуют термически чувствительные компоненты, необходима высокая гибкость при определении параметров.

Технические параметры установки Dual Lane VX позволяют гибко организовать процесс и обеспечивают, таким образом, большое рабочее окно для процессов пайки. В серии Dual Lane модель VX оборудована двумя конвейерами, которые могут работать асинхронно с разной скоростью. В модели Multitrack оба конвейера также можно эксплуатировать асимметрично, с различной шириной (рис. 4).


Рис. 4. Установка для пайки оплавлением модели 
Dual Lane VX

Термически хорошо изолированные зоны нагрева длиной 350 мм, которые расположены над и под конвейерами на протяжении всей длины печи, способствуют реализации различных профилей пайки оплавлением. По ширине камеры и над обоими конвейерами располагается одна равномерная тепловая зона только с одним относящимся к ней поддувом. Между конвейерами отсутствуют какие-либо термические барьеры (газовые дефлекторы) или раздельные области сопел, что не позволяет влиять на газовый поток отдельно в правом или левом конвейере. В связи с этим температура и скорость газа, протекающего в правом и левом конвейере, не отличаются друг от друга.

В случае одновременного размещения на оба конвейера установки Dual Lane VX свинецсодержащих и бессвинцовых электронных модулей оптимальные профили пайки оплавлением могут быть достигнуты только при помощи различной скорости перемещения. Модель Dual Lane VX обеспечивает для этого оптимальные условия.

Свинецсодержащие и бессвинцовые профили пайки оплавлением

Очень маленькая разница температур (<2 K) поперечного профиля над соответствующим конвейером способствует тому, что находящиеся в распоряжении рабочие окна процесса остаются по возможности большими. В рамках различных измерений было доказано, что на установке Dual Lane VX можно параллельно и одновременно паять оловянно-свинцовые и бессвинцовые электронные модули. Во время проводимых измерений (с различными печатными платами) на установке для пайки оплавлением подвергались обработке два идентичных тестовых электронных модуля с различной скоростью правого и левого конвейеров. После чего были выявлены следующие результаты.

Кривые на рис. 5а показывают оловянносвинцовый профиль пайки оплавлением больших и малых термических масс на электронных модулях, на рис. 5б — бессвинцовый профиль.


Рис. 5. Поперечный профиль: а) SnPb, левый конвейер; б) SnAgCu (бессвинцовый), правый конвейер

Горизонтальные линии ограничивают рабочие окна:

  • Свинецсодержащий процесс: 183…220…235 °C.
  • Бессвинцовый процесс: 217…245…260 °C.

Пунктирные температурные линии (220 и 245 °C) показывают максимальную температуру для термически более чувствительных электронных компонентов. Во время измерений их профиль пайки оплавлением показан при помощи тонкой пунктирной линии.

На рис. 6 представлены два параллельно полученных линейных профиля пайки оплавлением для автомобильных электронных узлов. Из-за более высокой скорости перемещения разница температур (.Т) между большими и малыми термическими массами на печатной плате при оловянно-свинцовом процессе больше, чем при бессвинцовом. Более длительное время обработки обеспечивает выравнивание температуры на печатной плате. Тем не менее, границы рабочего окна оловянно-свинцового процесса не нарушаются, и достигаются допустимые показатели профиля пайки оплавлением. Как малые, так и большие термические массы находятся явно ниже максимально допустимой температуры. Для обоих процессов было достигнуто оптимальное время над точкой ликвидуса (~60 с). Седлообразные профили для пайки оплавлением могут быть также реализованы при помощи параллельного процесса.

Рис. 6. Линейные профили пайки оплавлением (автомобильный электронный модуль)

На рис. 7 можно снова увидеть хорошие показатели профиля пайки оплавлением. Чтобы доказать, насколько надежно могут быть проведены параллельные процессы на установке VX, на печатной плате были проведены измерения с полем допуска скорости перемещения ±15%, при одних и тех же температурных показателях.

Рис. 7. Седлообразный профиль

На рис. 8 показаны результаты линейных профилей пайки оплавлением. При уменьшении скорости перемещения увеличиваются максимальная температура и время над точкой ликвидуса, а разница температур (ΔT) между малыми и большими термическими массами уменьшается. В заданном поле допуска ±15% при скорости перемещения 1200 мм/мин для оловянно-свинцового процесса и 700 мм/мин для бессвинцового процесса полученные параметры пайки оплавлением остаются в пределах заданных границ. Такие же хорошие результаты были получены и для седлообразных профилей. Тем самым было показано, что имеется достаточное рабочее пространство для варьирования параметров.

Рис. 8. Ширина поля допуска скорости перемещения: а) левый конвейер; б) правый конвейер

Заключение

При помощи установки для пайки оплавлением Dual Lane VX одновременно можно проводить пайку оловянно-свинцовых и бессвинцовых электронных модулей. Необходимые для этого разные профили могут быть достигнуты лишь при помощи различных скоростей перемещения в обоих параллельных конвейерах. Установки температур модуля нагрева и охлаждения не отличаются, так как модули располагаются равномерно над левым и правым конвейерами. Также отсутствуют дополнительные устройства, например, отдельные области с соплами или газовые дефлекторы, которые могли бы повлиять на перенос тепла между обеими сторонами. Во-первых, это повышает удобство эксплуатации для пользователя установкой, а во-вторых, финансовые затраты при этом остаются на уровне затрат на серийную установку Dual Lane VX. Многочисленные измерения доказали, что заданные рабочие окна для оловянно-свинцовых и бессвинцовых процессов остаются прежними, и при этом есть возможность регулирования различных параметров установки, особенно скорости перемещения. Были выявлены следующие преимущества для производителей электронной промышленности:

  • Оловянно-свинцовые и бессвинцовые процессы могут быть проведены параллельно на серийной установке для пайки оплавлением.
  • Отсутствует необходимость изменять параметры установки каждый раз в зависимости от процесса, в связи с чем сокращается время изготовления продукции.
  • Возможность сэкономить финансовые средства, необходимые для покупки второй установки для пайки оплавлением или специальной установки с отдельными системами нагрева для параллельных конвейеров.
  • Стандартная установка может быть использована для обоих процессов (одна система нагрева и два конвейера).
  • Удобство эксплуатации за счет равномерных зон нагрева и охлаждения.
  • Бoльшая гибкость при выставлении профиля пайки оплавлением.

Примечание. Оригинал статьи опубликован в журнале PLUS (Produktion von Leiterplatten und Systemen. 2009. № 6. Германия).

Другие статьи по этой теме


 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо

Купить ширму в москве
Собственное производство! Строим ширмы только из качественных материалов
mosshirma.ru
Втб арена парк официальный сайт
Регистрация сайта официально. Официальное оформление сайта от А до Я
vtb-arena-park.com
Бордюр дорожный в одессе
Официальный сайт города Одессы
gbi.in.ua