Селективная пайка штыревых компонентов

Введение

Несмотря на то, что сегодня во всем мире широко распространена технология поверхностного монтажа, ряд компонентов с необходимыми характеристиками доступен только в штыревом исполнении. Для изделий с наличием как поверхностно-монтируемых компонентов (SMD), так и штыревых (ТНТ) обычно сборка ведется по технологии смешанного монтажа. В этом случае плату с SMD-компонентами собирают по классической технологии поверхностного монтажа, а затем производят установку и пайку штыревых компонентов.

Рис. 1. Пайка выводов компонента вблизи разъема и тестовых площадок

Хорошей альтернативой ручной пайке компонентов и групповой пайке двойной волной припоя служит применение популярной технологии селективной пайки. При выполнении данной операции в контакт с припоем входит не вся нижняя поверхность платы с компонентами, а лишь отдельные ее участки, непосредственно подлежащие пайке. Такой способ позволяет делать качественную сборку даже сложных двухсторонних плат с плотной компоновкой и присутствием компонентов с самым малым шагом выводов. Примеры использования технологии селективной пайки показаны на рис. 1 и 2.

Рис. 2. Пайка штыревого компонента вблизи поверхностно-монтируемых компонентов

Несмотря на наличие тех же этапов, что и при пайке двойной волной припоя (этапы флюсования, преднагрева и пайки), селективная пайка имеет ряд существенных отличий и особенностей, которые нужно учитывать при подборе подходящего варианта исполнения установки селективной пайки и адаптации технологии под пайку выводов штыревых компонентов изделий.

Далее рассмотрим все этапы, входящие в состав процесса селективной пайки, и особенности оборудования на примере установок, предлагаемых немецкой компанией Ersa.

Флюсование

В установках селективной пайки фирмы Ersa флюсованию подвергаются только участки платы, которые впоследствии будут запаяны мини-волной припоя. Прецизионное нанесение флюса при этом осуществляется каплеструйным флюсователем, перемещающимся под нижней поверхностью печатного узла (ПУ) и наносящим флюс только там, где необходимо. Предусмотрено как точечное нанесение флюса, так и линейное. Ширина дорожки нанесенного флюса может достигать всего 2 мм, что приводит к малому количеству остатков флюса после пайки. При этом каплеструйная система флюсования и грамотный подбор параметров обеспечивают попадание флюса на все поверхности, подлежащие пайке, в достаточном количестве (включая попадание в монтажные отверстия с выводами) для создания необходимых условий протекания припоя и лучшей смачиваемости поверхностей. Возможно нанесение различных типов флюса, однако основное требование к ним — низкое содержание твердых веществ, чтобы исключить забивание форсунки флюсователя микрометрического размера.

Рис. 3. Каплеструйные системы флюсования с двумя головками

Для повышения гибкости и уменьшения цикла нанесения компания Ersa предлагает различные конфигурации систем флюсования с двумя каплеструйными головками (рис. 3). Первая конфигурация позволяет увеличить производительность такой операции вдвое за счет параллельного флюсования двух идентичных плат в мультизаготовке. Вторая — исключает необходимость смены флюса в баке при переходе на другой тип флюса. При этом система оснащается двумя бачками, и по программе будет активироваться только головка с тем флюсом, который на данный момент требуется наносить на плату.

Преднагрев

Предварительный нагрев во всех установках селективной пайки проводится для испарения растворителя, входящего в состав нанесенного флюса, его активации и заблаговременного подогрева платы и компонентов. Таким образом создаются условия для хорошего растекания припоя по паяемым поверхностям.

Нагрев платы в установках Ersa осуществляется как с нижней, так и с верхней стороны. По умолчанию предварительный нагрев происходит со стороны нанесенного флюса и расположения точек пайки при помощи нижних инфракрасных нагревателей. В этом случае, благодаря прямому воздействию нагревателей на нижнюю поверхность платы, можно подготовить паяемые поверхности к процессу пайки.

Рис. 4. Неполное заполнение отверстия из-за отвода тепла на внутренние слои через межслойные соединения

Однако, как и любой процесс пайки, селективная пайка больших массивных компонентов и плат представляет собой непростую задачу. Вот почему нужно не только обеспечить все требования к максимальным температурам и градиентам для флюса и компонентов, чтобы исключить их повреждение подводимой тепловой энергией, но и выполнить равномерный прогрев всех участков платы, подлежащих пайке. При недостаточном прогреве многослойных массивных плат с теплоемкими компонентами возможно ухудшение условий растекания припоя по паяемым поверхностям, что чревато некачественной пайкой выводов штыревых компонентов (рис. 4 и 5).

Рис. 5. Отсутствие галтели с верхней стороны при пайке теплоемкого компонента

Для решения проблемы пайки массивных теплоемких элементов компания Ersa предлагает использовать комбинацию нижних ИК-нагревателей и верхнего конвекционного модуля нагрева для создания высокой интенсивности теплообмена (рис. 6).

Рис. 6. ИК- (снизу) и конвекционный (сверху) нагрев ПУ

Наличие верхнего конвекционного нагревателя в дополнение к нижнему, осуществляющему нагрев нижней поверхности печатного узла и активацию флюса, способствует лучшему прогреву всех участков платы до нужной температуры, что позволяет достичь приемлемых результатов пайки даже самых теплоемких печатных узлов и компонентов.

При этом в установках фирмы Ersa конвекционный нагрев плат может происходить не только в зоне предварительного нагрева, но и непосредственно в зоне пайки. Это помогает предотвратить остывание теплоемкого печатного узла при продолжительном процессе пайки, например в случае пайки большого количества выводов.

Пайка

При пайке выводов штыревых компонентов в контакт с волной припоя входят только те участки платы, которые подлежат пайке. При этом расположенные вблизи компоненты не подвергаются тепловому воздействию, вызванному непосредственным контактом с припоем, как это происходит в случае пайки двойной волной припоя. Такая особенность позволяет использовать селективную пайку для печатных узлов с предустановленными с нижней стороны компонентами, в том числе с плотным монтажом и компонентами с мелким шагом.

Во всем оборудовании Ersa пайка осуществляется при помощи смачиваемых припоем волнообразователей (рис. 7). Это исключает необходимость определенной ориентации печатного узла под углом относительно волно-образователя и упрощает процесс программирования системы, предоставляя возможность производить пайку даже в самых узких местах платы.

Рис. 7. Смачиваемый припоем волнообразователь в азотном кольце

В отличие от распространенных на рынке систем пайки с традиционным насосом на базе крыльчатки компания Ersa в своем оборудовании применяет электромагнитные индукционные насосы, в которых припой приводится в движение не за счет вращения крыльчатки, а под воздействием сил Лоренца, заставляющих его двигаться в направлении волнообразователя. Значительными преимуществами электромагнитного насоса наряду с отсутствием изнашивающихся частей являются поддержание высокой стабильности потока припоя и точная настройка необходимой высоты волны в волнообразователе.

Процесс пайки выполняется в инертной среде азота. Причем подача азота происходит при помощи специального азотного кольца (рис. 7), использование которого помогает добиться подачи азота высокого качества на всю поверхность припоя на волнообразователе и непосредственно в область пайки. Это гарантирует низкое шламообразование, разумное расходование азота и высокое качество всей операции.

Существует также возможность оснастить ванну с припоем системой дополнительного подогрева азота, в которой весь подаваемый на волнообразователь азот предварительно нагревается до необходимой температуры. Данная система исключает влияние «холодного» азота на расплавленный припой и производит дополнительный прогрев области пайки.

Возможность мгновенного безынерционного отключения подачи припоя в электромагнитном насосе наряду с действиями сил поверхностного натяжения волнообразователей позволяет получать тонкие галтели паяных соединений и предотвращать появление перемычек припоя даже при пайке многовыводных компонентов с малым шагом выводов в непосредственной близости от поверхностно-монтируемых компонентов (рис. 8).

Рис. 8. Управление внешним видом паяных соединений:
а) пайка в обычном режиме;
б) пайка с функцией отделения волны

С точки зрения обеспечения производительности процесса пайки мини-волной припоя предпочтение отдается волнообразователям большого диаметра. В этом случае цикл пайки удается снизить за счет одновременной пайки сразу нескольких выводов. Так, многовыводные разъемы, как правило, паяются большим волнообразователем за один проход при пайке по линии.

Однако возможны ситуации, когда, с одной стороны, нужно обеспечить высокую производительность процесса, а с другой — выполнить пайку узких мест на плате, в которых, например, при пайке волнообразователем большого диаметра происходит касание соседних компонентов (рис. 9).

Рис. 9. Касание большим волнообразователем площадок соседних SMD-компонентов

Для исключения этой дилеммы производитель предлагает специальную конфигурацию с двумя волнообразователями (рис. 10). При помощи этой конфигурации многовыводные разъемы можно паять по линии волнообразователем большего диаметра, а пайку узких участков платы, в частности вблизи SMD-ком-понентов, реализовать посредством волнообразователя меньшего диаметра.

Рис. 10. Пайка волнообразователями разного диаметра

Для дополнительного увеличения производительности, так же как и в случае с флюсованием, предусмотрена одновременная пайка двух идентичных плат в мультизаготовке двумя волнообразователями. В этом случае фирма Ersa предложила вариант исполнения системы пайки с двумя ваннами с изменяющимися расстояниями между волнообразователями в зависимости от расстояния между точками пайки в платах мультизаготовки.

Программное обеспечение

В установках фирмы Ersa подготовка программ пайки может происходить удаленно, полностью в офлайн-режиме. Вся процедура проводится благодаря уникальной разработке компании — программному обеспечению ERSA CAD Assistant 3D (рис. 11).

Рис. 11. Интерфейс программы ERSA CAD Assistant 3D

Создание программ пайки в ERSA CAD Assistant 3D происходит на основании фотографии, скана или чертежа печатной платы. После импорта изображения платы и ввода технологических параметров процесса оператору остается лишь указать точки/линии пайки и флюсования на поверхности печатного узла. Причем программа выполнит оптимизацию перемещения флюсователя и ванны с припоем таким образом, чтобы исключить задевание предустановленных с нижней стороны высоких компонентов и минимизировать общий цикл пайки печатного узла. Все проложенные треки флюсования и пайки можно легко оценить при помощи 3D-визуализации платы.

Вывод

Классическая технология пайки двойной волной припоя уходит в прошлое. Ее постепенно вытесняет селективная пайка, обретающая все большее распространение благодаря своей гибкости, простоте программирования и относительно быстрому возврату инвестиций. Однако нужно понимать, что при внедрении данной технологии на производстве окончательный результат пайки будет зависеть от многих факторов, к которым относятся не только конструктивные особенности печатного узла и выбираемые режимы пайки, но и возможности самого оборудования. Только при грамотном подходе к выбору конфигурации и типа оборудования под конкретные задачи и адаптации технологии селективной пайки под изделия с выполнением всех требований к процессу селективной пайки можно добиться приемлемых результатов с необходимой производительностью.