Конвейерные парофазные печи.
Решение для пайки ответственной электроники в условиях средней и большой серийности

SMT (Surface Mount Technology) — монтаж компонентов на поверхность, или просто поверхностный монтаж, уже не молодая и всем известная технология (рис. 1). Подразделяется она на три основные операции:

• нанесение паяльной пасты на плату;
• установка поверхностно-монтируемых компонентов;
• оплавление паяльной пасты в печи.

Рис. 1. Плата с компонентами

Именно о последнем, завершающем этапе SMT — оплавлении паяльной пасты, а попросту о пайке — и пойдет речь в данной статье.

Сегодня существует две технологии пайки: конвекционная (наиболее распространенная и консервативная технология) и парафазная.

Выбор в пользу одной из технологий должен зависеть от специфики производства. К примеру, для массового выпуска однотипной продукции предпочтительна конвекционная печь. Для ответственной электроники, изготавливаемой мелкими сериями с большой номенклатурой, оптимальна парафазная технология. Хотя, к сожалению, многие ответственные руководители, начальники производств, главные инженеры и технологи выбирают конвекционную пайку не в силу объективных причин, а попросту из консервативного подхода, слабо понимая, а иногда и просто опасаясь альтернативного, неизвестного им процесса. Конечно, большинство руководителей, технологов, инженеров и операторов использовали конвекцию и уже имеют опыт работы с классическими печами. Часто этих причин вполне достаточно, чтобы выбор был сделан в пользу конвекционного типа оплавления, хотя, возможно, было бы лучше применить парафазный.

В нашей стране более 100 производств уже оплавляют паяльную пасту в парафазных печах, и вполне успешно. Чаще всего это предприятия, выпускающие спецтехнику: электронику для работы в экстремальных климатических условиях, платы для авиации, космоса, военной техники и т. д. Здесь, как правило, отсутствует большая серийность и требуются частые изменения.

В целом, для людей, которые объективно и непредвзято оценивают конвекцию и парафазную технологии, сложилось следующее, довольно объективное правило: конвекционная пайка — для серийных производств, парафазная пайка — для ответственной мелкосерийной сборки.

И так действительно было до поры до времени… Пока ведущий мировой производитель парафазных печей, компания ASSCON (Германия), не разработала новые модели линейных высокопроизводительных печей. Но не будем забегать вперед.

Давайте еще раз вспомним обо всех достоинствах парафазной пайки.

• Фиксирована максимальная температура пайки. Да, ни печатную плату, ни компоненты на ней невозможно перегреть. Никак и ни при каких условиях. Это обусловлено температурой кипения рабочей жидкости. И это самое важное достоинство. Вы никогда не перегреете плату, какой бы маленькой или теплоемкой она ни была, как долго бы плата ни находилась в рабочей камере. Плата и компоненты получат максимальную установленную температуру и ни на один градус больше.
• Равномерное распределение тепла, полный равномерный прогрев. Большие и/или толстые многослойные печатные платы будут прогреваться гораздо быстрее и эффективнее, даже если на них смонтированы объемные компоненты, пластины, диодные мосты или кулеры. В противоположность конвекционной технологии, имеющей теневой эффект, пар полностью обволакивает всю печатную плату и прогревает ее равномерно, несмотря на размеры, форму и вес.
• Пайка в инертной среде без доступа кислорода. В отсутствие кислорода нет окисления, а раз нет окисления, то мы получаем более прочное паяное соединение. К тому же в инертной среде выше коэффициент смачиваемости, то есть уже окисленные выводы, да и выводы с загрязнениями паяются намного легче. В целом рабочая жидкость имеет значительно лучшую теплопередачу чем воздух, поэтому прогревает плату эффективнее.
• Простая отладка и универсальность термопрофиля. В конвекционных печах термопрофиль, как правило, ступенчатый (рис. 2). Ступени требуются на этапах, когда при прохождении набора температуры необходимо задержаться, чтобы основательно прогреть определенный участок платы или компонент. Предположим, на плате установлена микросхема BGA. Конвекционный нагрев происходит за счет вентиляторов, подающих с двух сторон печатной платы горячий воздух. Если паяется толстая печатная плата, то прогрев происходит со стороны самого BGA-компонента (проще говоря, мы греем саму микросхему), снизу греется печатная плата. Для того чтобы тепло равномерно прошло сквозь весь корпус микросхемы, а с обратной стороны — через все слои печатной платы и наконец добралось до паяльной пасты, нужно выждать определенное время. И вот тут появляется риск перегреть сам компонент или плату.

Рис.2. Ступенчатый график термопрофиля

В парафазной печи дело обстоит иначе: плата обволакивается паром со всех сторон, отверстий, между зазорами компонентов и платы. Инертная среда и рабочая жидкость обеспечивают более эффективную теплопередачу.

• Бессвинцовый переход. Все давно наслышаны об общемировом тренде перехода производств на бессвинцовый припой. Казалось бы, далекие нам европейские и американские директивы WEEE и RоHS нас не касаются, и мы можем, как и прежде, продолжать сборку на свинцовых пастах. Однако уже в этом году в России вступит в силу ряд законодательных изменений в пользу защиты окружающей среды. Мы не станем разбираться и рассуждать, правильно это или нет, это тема совсем другой статьи. И хотя по инерции большинство отечественных предприятий будет и дальше собирать электронику «на свинце», в скором времени все производства (кроме сверхответственной электроники) на законодательном уровне переведут на «бессвинец».

И здесь, как никогда лучше, с таким переходом справится именно парафазная технология. Ведь именно все ее перечисленные достоинства позволят проще и быстрее отладить технологический процесс.

Вакуум

Не забудем упомянуть и о вакууме в печах оплавления припоя. Применение вакуумированния позволяет убрать пустоты в паяных соединениях, что в значительной степени увеличивает надежность и долговечность производимой электроники. Долгий срок службы и устойчивость к различным воздействиям требуется не только в ответственной электронике, но и в бытовой. Ведь от надежности и долговечности выпускаемого изделия зависит престиж марки и ее производителя. Снижение пустот напрямую влияет на качество, а зачастую просто необходимо. Ответственную электронику, после ее проверки на рентгеновском контроле, могут просто забраковать, тогда все издержки, связанные с производством брака, лягут на предприятие.

Применение вакуума решает проблему с пустотами на 97%.

И здесь снова на первое место выходит парафазная пайка. Дело в том, что конвекционные вакуумные печи значительно сложнее и дороже в производстве и обслуживании. Сегодня большинство отечественных предприятий, оснащенных парафазными печами, уже имеют функцию вакуумирования. В России пока нет конвекционных вакуумных печей, лишь несколько образцов работают у коллег в Европе. А значит, нет опыта, нет обученных инженеров, технологий и знаний.

Конечно, вакуум в конвекции развивается, и уже есть готовые решения. Например, компания Heller Industries (США) сегодня готова предложить четыре модели вакуумных конвекционных печей. Однако клиент, который решится на подобный заказ, должен обладать приличным бюджетом и будет в нашей стране технологическим первопроходцем.

Парафазные печи уже давно развиваются вместе с функцией вакуума. Создать вакуум в закрытой камере пайки намного проще, чем блокировать и герметизировать целую область конвейерной конвекционной печи. Именно поэтому уже сегодня в нашей стране проще и дешевле убирать пустоты в паяных соединениях при помощи парафазной печи.

Выбор технологии

Как уже говорилось, конвекционную печь зачастую выбирают из-за непонимания процесса (консервативный подход).

Однако существует и объективный выбор конвекции. Чаще всего это массовое производство, а также необходимость встроить пайку в конвейерную линию. Многие специалисты полагают (и нередко вполне объективно), что парафазные печи медленнее. Остается и еще один немаловажный аргумент в пользу конвекции: она всегда дешевле (за исключением вакуумных).

Критерии выбора технологии пайки сводятся к двум основным:

1. Время цикла. Печь должна успевать отверждать пасту на собранных платах. Не должна стать узким, «тормозящим» производство местом.
2. Термопрофиль. Печь должна удовлетворять профилю, необходимому в спецификации паяльной пасты и применяемых компонентов, а в случае частых переналадок должна быть возможность оперативно его менять.

Время цикла. Обобщенно, время цикла — это то время, за которое печь (не важно какая) выдает одну готовую печатную плату. Не время прохождения печатной платы через все зоны конвекционной печи и тем более не время прохождения платы через всю линию, а именно частота получения готового изделия.

Для примера расчета времени цикла рассмотрим материнскую плату 300×300 мм.

В конвекционной печи минимально допустимое расстояние между платами составляет 50 мм. Итого — 350 мм для прохождения через все зоны.

Минимальное время нахождения платы в зонах нагрева — 180 с.

Для примера возьмем 7-зонную конвекционную печь Heller 1707, длинна зон нагрева которой 1900 мм.

При помощи несложной математики вычисляем необходимую скорость конвейера: 1900 мм / 180 с = 10,55 мм/с.

Теперь делим общую длину 350 мм (плата + дистанция) на скорость конвейера 10,55 мм/с. И получаем, что каждые 33 с печь будет выдавать нам одну готовую печатную плату.

Расчеты для парафазной печи иные. В корзину погружается сразу несколько печатных плат, или мультизаготовок. Производится загрузка, пайка и выгрузка готовых плат. Время цикла рассчитывается исходя из времени нахождения всех печатных плат в печи (от загрузки до выгрузки) и делится на количество печатных плат.

К примеру, если общее время цикла пайки парафазной печи 296 с, а в корзину поместится четыре печатные платы (300×300), то время цикла одной платы составит 74 с. Да, значительно выше, чем в конвекции, однако правильнее было бы оценить, требуется ли меньшее время цикла? Ведь зачастую печь на производстве значительно опережает остальное оборудование.

Термопрофиль. Большинство пользователей парафазных печей — предприятия с широкой номенклатурой и малой серией, однако они, как правило, имеют гораздо меньшее количество рабочих термпоприфелей, чем пользователи конвекционных печей. Чаще всего на вопрос: «Каким количеством профилей вы пользуетесь?» — технолог или начальник производства с парофазной печью ответит: «Два. Один для свинца, другой для бессвинцовой пайки». В то время как у пользователей конвекционных печей количество профилей может достигать десятков, а то и сотни. Конечно, у конвекции тоже бывают довольно универсальные профили, хотя они в большей степени относятся к схожим печатным платам. Изменение габаритов и компонентной базы на печатной плате автоматически потребует настройки и отладки новой версии профилирования.

В последнее время частые переналадки и многономенклатурность свойственны не только мелкосерийным производствам, но и крупносерийным контрактникам. А вот отладка процесса и устранение последующих дефектов всегда влекут лишние расходы и отнимают время. Именно на этом этапе производства линейная парафазная печь, пусть даже менее производительная, догоняет, а порой и опережает своего конвекционного конкурента.

Парафазная печь имеет более простое и быстрое профилирование, поэтому позволит выполнять быстрые переналадки, не затрачивая дополнительные средства и времяи.

Ведь если ко времени цикла мы прибавим время настройки и наладки профиля, конвекционная печь может сильно уступать линейной парафазной печи.

Линейная парафазная печь

Перед камерой пайки конвейерной парафазной печи установлен предварительный накопительный буфер. После загрузки этого буфера конвейерная корзина перемещается в камерную зону, а дальше происходит тот же процесс, что и в отдельно стоящей парафазной печи. И здесь нужно обратить особое внимание на следующие моменты.

Камера пайки 520×450 мм способна вместить объемную мультизаготовку или несколько печатных плат. Если мы имеем дело со среднестатистическим циклом в 300 с, а размер платы, предположим, 100×100 мм, то мы получаем время цикла 75 с. Конечно, медленнее конвекции, но этого может быть вполне достаточно, если установщик справляется с задачей дольше.

Если ко времени цикла прибавить снижение временных затрат на отладку профиля, работы с браком и прочие недочеты, с которыми помогает справиться парафазная технология, мы получаем вполне рабочее решение для среднесерийного производства. Не будем забывать и то, что, если производству требуется печь с вакуумом, работающая в линии, именно парафазная технология будет доступна по всем критериям.

Вспомним вышеперечисленные достоинства парафазной технологии:

• фиксирована температура пайки;
• равномерное распределение тепла;
• пайка в инертной среде;
• универсальность термопрофиля;
• простота работы с бессвинцовыми пастами;
• возможность работы с вакуумом.

Все эти качества зачастую перекрывают скоростные характеристики.

Рис. 3. Линейная парафазная печь VP 2000

На сегодня мировой лидер в производстве парафазных печей, компания ASSCON, готова предложить две модели линейных печей: VP 2000 — линейная парафазная печь (рис. 3) и VP 7000 — линейная парафазная печь с вакуумом (рис. 4).

Рис. 4. Линейная парафазная печь с вакуумом VP 7000