Надежность процесса для бессвинцовой технологии

Уве Филор
Клаус Цабель
Андрей Новиков

Конденсационные печи фирмы Asscon с варьируемым управлением температурным градиентом в насыщенном пару соответствуют новейшему уровню технологического развития. Они обеспечивают надежность и повторяемость процессов пайки.

Технология пайки в паровой фазе была разработана в 70-х годах прошлого века компанией Western Electric из Принстона (США) [1]. Эти печи работали по принципу двухфазной системы. Из-за больших потерь рабочей жидкости над первым уровнем пара впрыскивался вторичный пар (состоящий, как правило, из фтор-хлор-углеводородов).

Запрет применения фтор-хлор-углеводородов в 1990 году привел к исчезновению конденсационных печей с двумя рабочими фазами и способствовал успеху паяльных печей с нагревом ИК-излучением. Недостатки технологии ИК-нагрева, такие как, например, различные скорости нагрева компонентов с различным теплопотреблением, показали в скором времени ограниченность ее применения [2].

В дальнейшем произошла замена пайки нагревом ИК-излучением на технологию конвекционной пайки, которая стала наиболее распространенной технологией для пайки оплавлением. В последние годы возрастающая комплексность электронных модулей, связанная, например, с топологией печатной платы, большими различиями в массе отдельных компонентов и т. д., ставит повышенные требования к технологии пайки, которые становится все сложнее выполнить по технологии конвекционной пайки (рис. 1). За счет этого технология конденсационной пайки получила свое второе рождение. Заново разработанные концепты оборудования для пайки в одной фазе предлагают решения, которые особенно важны при пайке на более высоких температурах для перехода на бессвинцовую технологию.

С тех пор технология конденсационной пайки прошла основные этапы своего развития, которые привели к новейшему уровню технологического развития – пайке в насыщенном пару с варьируемым управлением температурным градиентом.

Пайка в паровой фазе без регулирования мощности нагрева

В изначальном простейшем исполнении конденсационной печи создавался равномерный слой из насыщенного пара. Нерегулируемое образование пара вызывало слишком высокие начальные температурные градиенты даже при пайке особенно массивных электронных модулей [3]. Для избавления от этого недостатка использовался предварительный нагрев ИК-излучением, что приводило в свою очередь к сильному окислению металлизации компонентов. Для устранения этого эффекта ИК-нагрев был заменен на погружение электронных модулей в верхний слой насыщенного пара. Глубина погружения зависела при этом от массы электронного модуля [4].

Для каждого отдельного электронного модуля было необходимо выставить определенную глубину погружения. При слишком глубоком погружении нагрев происходит слишком быстро, а при недостаточном — нагрев, напротив, слишком слабый. В связи с этим одновременная пайка различных электронных модулей особенно проблематична. Попытки решить данную проблему за счет последовательного повторения небольших погружений остались безуспешными. Эта ранняя стадия развития технологии конденсационной пайки оправданно считается несовершенной, но в то же время она показала достаточно большой потенциал для дальнейшего развития [5]

Переходный уровень развития технологии: метод впрыскивания

Первые опыты в середине 90-х годов с целью устранения недостатков первых конденсационных печей привели к разработке метода впрыскивания. Этот метод базируется на патенте профессора Рана [6], который был вновь использован в первых современных конденсационных печах [7]. Для получения пара определенное количество рабочей жидкости подавалось на электроплитку и сразу испарялось. Тем самым осуществлялся предварительный нагрев электронных модулей. За счет впрыскивания основной дозы рабочей жидкости достигалась температура пиковой зоны.

После процесса пайки происходило удаление излишков рабочей жидкости. При применении метода впрыскивания многие параметры, такие как например, объём рабочей жидкости, время впрыскивания и пайки, температура электроплитки и рабочей жидкости, должны быть согласованы друг с другом.

Кроме того, необходимый перегрев рабочего пара приводит в процессе пайки к появлению главного недостатка конвекционного метода пайки — окислению. Независимо от технологических недостатков, данные печи предъявляют к тому же повышенные требования по расходам на их эксплуатацию и техническое обслуживание.

Регулируемый температурный градиент в насыщенном пару

В конце 90-х годов на смену конденсационных печей с впрыскиванием пришли печи с варьиируемым управлением температурным градиентом. В отличие от метода впрыскивания в данном методе используется насыщенный пар, и тем самым объединяются основные преимущества технологии конденсационной пайки для осуществления надежного и воспроизводимого процесса пайки.

Зона пайки в данных печах находится над резервуаром с рабочей жидкостью, которая нагревается с помощью электроплиток и образует слой насыщенного пара непосредственно над резервуаром. Так как пар тяжелее воздуха, его утечка из вертикальной печи невозможна.

При погружении электронного модуля в паровую зону слой насыщенного пара обваливается. При этом пар конденсируется на всей поверхности электронного модуля, сразу образуя на нем замкнутый слой жидкости. Система регулирования печи препятствует резкому переносу излишнего количества тепла при обваливании слоя пара, так как это происходило в первых печах конденсационной пайки. Поверхностное натяжение слоя жидкости и его капиллярные силы оттесняют воздух от электронного модуля. Таким образом создается защитная пленка, которая гарантирует отсутствие кислорода во время всего процесса пайки. После выхода электронного модуля из зоны пайки этот слой жидкости испаряется с поверхности без остатков.

Поверхностный слой конденсата находится в прямом контакте со слоем насыщенного пара. При подаче количества энергии, соответствующей желаемому температурному коэффициенту, за счет контролируемого нагрева, возникает насыщенный пар в количестве, эквивалентном данной энергии. Это определенное количество пара конденсируется в виде замкнутого слоя жидкости и транспортирует в этот слой точно определенное количество энергии во время конденсации. За счет этого увеличивается энергоемкость слоя и соответственно увеличивается температура электронного модуля под слоем конденсата. При этом согласно законам физики распределение и перенос энергии по всему электронному модулю происходит равномерно (рис. 2).

Таким образом обеспечивается постоянный и равномерный перенос энергии и, следовательно, нагрев всего электронного модуля. Этот процесс продолжается до тех пор, пока электронный модуль не достигает температуры пара. Как только устанавливается температурное равновесие, процесс конденсации автоматически прекращается.

В данном концепте конденсационной печи происходит точное управление нагревом электронного модуля за счет контролируемого переноса энергии (рис. 3). При пайке в насыщенном паре, в отличие от метода впрыскивания, не происходит нагрева рабочей жидкости выше точки испарения. Тем самым физически исключается перегрев электронных модулей в печи.

Испытанная вертикальная конструкция конденсационных печей, работающих с насыщенным паром, позволяет автоматически распознать окончание процесса пайки независимо от конструкции и компоновки различных электронных модулей. Время пайки соответственно может быть сокращено до необходимого минимума и тем самым исключается слишком долгое пребывание электронного модуля выше температуры ликвидуса припоя. В отличие от горизонтальных систем, в вертикальных конструкциях также нет необходимости в дорогостоящих насосных и механических системах для паронепроницаемого шлюзования камер конденсационной печи, что, в свою очередь, не приводит к увеличению времени производственных циклов (в отличие от горизонтальных систем). Так как пар тяжелее воздуха, точное ограничение слоя пара в вертикальной печи происходит автоматически и тем самым вносит большой вклад в обеспечение безопасности эксплуатации. С помощью точной согласованной системы управления исключается также возможность возникновения завихрений в слое пара при погружении электронного модуля. За счет выбора желаемого температурного градиента происходит оптимизация предварительного нагрева электронного модуля в слое насыщенного пара.

Вывод

Применение новейших технологий в конденсационных печах фирмы Asscon (рис. 4) привело к успешному исключению недостатков ранних конденсационных печей с ненасыщенным паром и печей, использующих метод впрыскивания пара. Использование насыщенного пара, в том числе для предварительного нагрева, изначально исключает возможность окисления. В то же время возможность перегрева электронного модуля также исключена на любой стадии процесса пайки из-за заданной температуры испарения рабочей жидкости. Варьируемое управление температурным градиентом обеспечивает оптимальный предварительный нагрев и процесс пайки для любого электронного модуля. Окончание процесса пайки может автоматически контролироваться с помощью технически совершенной, механической и то же время простой вертикальной конструкции современных печей пайки в насыщенном пару.

Вышеописанные качества конденсационных печей фирмы Asscon могут быть в заключение дополнены еще одним важным преимуществом: Так как при пайке в насыщенном пару практически все параметры процесса в печи не изменяются, от обслуживающего персонала требуется лишь выставить необходимое значение температурного градиента. Установление большого количества различных параметров, что было типично для конденсационной пайки методом впрыскивания и в ненасыщенном пару, в данных печах не является необходимым. В связи с этим при пайке в насыщенном пару с варьируемым температурным градиентом достигается максимальная надежность и воспроизводимость процесса. Именно эти факторы имеют большое значение при переходе на бессвинцовую технологию пайки.

Литература

1. Deutsches Patentamt Auslegungsschrift 24 42 180; AZ: P 24 42 180.5-24
2. KleinWassink R.J.,Weichlц ten in der Elektronik, 2. Aufl. 1991, Kap. 10.5.3. S. 596.
3. Leider W., Dampfphasenlц ten, 2002, Kap. 7.1. S. 43.
4. FSL Deutschland GmbH, MRT Vapourphase-System MRT, Dieburg 1992.
5. KleinWassink R.J.,Weichlц ten in der Elektronik, 2. Aufl. 1991, Kap. 10.5.3.1. S. 599.
6. Deutsches Patentamt, Patent Nr. DE3873321 T2.
7. www.asscon.de