Конвекционные печи оплавления серии OmniFlex
Антон Сизов
В 2006 году Electrovert анонсировала новую серию печей OmniFlex: с семью зонами нагрева — OmniFlex7 и с десятью зонами нагрева — OmniFlex10. Прототипом OmniFlex стала серия печей OmniExcel, которые почти за десятилетие производства завоевали признание по всему миру и используются самыми известными производителями электроники, такими как Jabil, Selestica, Elcoteq, Motorola и т. д. Печи OmniFlex претерпели ряд изменений, коснувшихся конструкции, некоторых узлов и дизайна, однако одним из наиболее существенных изменений стала комплектация печей. Базовая комплектация включает в себя все опции, которые необходимы в условиях современного производства.
Основным моментом в конвекционных печах является технология теплопередачи от нагревателя к печатной плате. К этому процессу предъявляется ряд требований, необходимых для получения качественной пайки: равномерный нагрев изделия по ширине конвейера, отсутствие «холодных» пятен, возможность сегрегации зон по температуре, отсутствие смещения компонентов воздушным потоком, минимальные энергозатраты, а если пайка происходит в азотной среде, то и минимальный расход азота. Компания Electrovert в современных печах применяет схему теплопередачи, изображенную на рис. 1. Концепция такой схемы — циркуляция больших объемов газа с минимальной скоростью потока. Около 80% атмосферы из зоны нагрева проходит, прогреваясь, через радиатор (в), перемешивается с 20% атмосферы, забираемой по краям зоны (д) в камере (б) вентилятором (а) и подается обратно в зону нагрева через перфорированную панель (г).
За счет забора атмосферы по краям зоны (д) достигается сегрегация зон нагрева, которая позволяет добиться разницы температур между соседними зонами в 80–100 °С. А благодаря перфорированной панели (рис. 2) создается равномерный по всей площади воздушный поток без «холодных» пятен (рис. 3).
В печах OmniFlex используются нагревательные элементы (рис. 4) мощностью 5 кВт (первая, седьмая зона) и 3 кВт (вторая–шестая зоны) с площадью нагревающей поверхности 5806 см2. При этом элементы используются на 50–60% мощности, что обеспечивает длительный срок эксплуатации.
Вентиляторы (рис. 5), аналогично нагревателям, используют 50–60% возможной мощности и при правильной эксплуатации не потребуют замены в течение всего срока службы печи. Кроме того, каждый вентилятор в базовой комплектации снабжен системой обратной связи, которая позволяет, во-первых, в случае отказа вентилятора сообщить оператору о возникшей проблеме и одновременно контролирует скорость вращения, синхронизируя скорости вращения всех вентиляторов печи, исключая перетекание воздуха из зоны в зону. Для управления конвекционным потоком вентиляторы имеют четыре скорости вращения.
Четыре скорости вращения имеют вентиляторы и в зонах охлаждения. Печи OmniFlex7 имеют две зоны охлаждения, OmniFlex10 — три. При пайке в воздушной среде охлаждение происходит забортным воздухом (рис. 6), подающимся во вторую (третью) зону охлаждения через сечение конвейерной системы. Затем преднагретый во второй зоне воздух подается в первую зону, из которой уходит в вытяжку, расположенную между зонами нагрева и зонами охлаждения.
При пайке в среде инертного газа или при необходимости интенсивного охлаждения используется система водяного охлаждения VariCool (рис. 7). В этом случае газ циркулирует внутри каждой зоны охлаждения, нагреваясь на плате и охлаждаясь на водяном радиаторе. Водяной контур может быть замкнутым, при этом вода охлаждается в отдельном модуле печи, или разомкнутым, тогда подключается проточная водопроводная вода или внешний модуль охлаждения. Каждая зона охлаждения комплектуется системой сбора конденсата.
При пайке в среде азота рекомендуется использовать систему очистки атмосферы печи — FCS (Flux Collection System). Обусловлено это тем, что в отличие от печей, предназначенных для работы в воздушной среде, выброс рабочей атмосферы в вытяжку должен быть минимальным (в связи с довольно высокой стоимостью азота). И если не очищать циркулирующий в печи долгое время газ, то будет происходить осаждение конденсата флюсов на внутренней поверхности и в труднодоступных местах печи (например, на радиаторах и вентиляторах). В печах производства компании Electrovert используется двухступенчатая система очистки атмосферы (рис. 8).
Газ нагнетается вентилятором и проходит через вращающийся металлический фильтр, на котором оседает часть флюсов и твердые частицы. За счет центробежной силы отфильтрованные частицы разбрасываются по стенам камеры и стекают в емкость для сбора конденсата. Газ, прошедший через металлический фильтр, попадает в камеру с металлическими шариками, на которых, конденсируясь, оседают пары флюса. Поскольку шарики вибрируют, конденсат стекает и попадает в емкость для сбора флюса. Каждая емкость имеет оптический датчик, сообщающий оператору о заполнении. Обслуживание системы заключается лишь в том, чтобы удалить скопившийся флюс и промыть металлический фильтр. В печи OmniFlex7 устанавливается три модуля системы FCS, в OmniFlex10 — четыре.
В базовой комплектации печи OmniFlex поставляются с комбинированным конвейером (рис. 9).
Комбинированный конвейер — это комбинация сетчатого (а) и цепного (б) конвейеров. Также в базовую комплектацию включены система полуавтоматической смазки конвейеров (в) и оптические датчики на входе (г) и выходе из конвейера, позволяющие контролировать наличие плат внутри печи, предупредить оператора, в случае если плата не вышла из печи в расчетное время. Информация, поступающая с оптических датчиков, используется SMEMA-интерфейсом для управления взаимодействием смежными устройствами. SMEMA-интерфейс так же включен в базовую комплектацию. В качестве рельса цепного конвейера используется экструзированный алюминиевый профиль, разработанный компанией Boeing (рис. 10) и обеспечивающий параллельность рельс до одного миллиметра по всей длине. Такая форма рельса имеет минимальную теплопередачу, а значит, потери тепла минимальны. В зонах оплавления может быть установлен запатентованный нагреватель рельса, компенсирующий теплоотвод через рельс. Такая конструкция позволяет снизить градиент температуры по ширине зоны до полутора градусов.
На случай перебоев в подаче электричества в базовую комплектацию добавлен источник бесперебойного питания, который позволит при отключении питания корректно завершить работу программного обеспечения и продолжить движение конвейеров, чтобы вывести изделия из печи.
Таким образом, конвекционные печи оплавления припоя серии OmniFlex обладают рядом достоинств (таблица): отличная теплопередача, простота и безопасность эксплуатации, длительный срок службы, низкая стоимость владения и т. д. Печи могут быть доукомплектованы различными опциями, необходимыми для выполнения нестандартных задач.