Поверхностный монтаж. Пайка ИК-нагревом и лазерным излучением

Научно-исследовательский  университет “МИЭТ” 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Реферат по курсу “Конструирование радиоэлектронной аппаратуры” на тему:

    “Поверхностный  монтаж. Пайка ИК-нагревом и лазерным излучением” 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Проблемы  технологии групповой  пайки

    В связи с миниатюризацией электронных  компонентов и устройств все  большее значение приобретает качество монтажа компонентов на печатных платах. Несмотря на то что технологии пайки постоянно совершенствуются, требования к качеству монтажа растут еще быстрее. Большие трудности  возникают при пайке печатных плат с плотным размещением поверхностно-монтируемых  компонентов SMD (Surface Mounted Devices), что заставляет искать новые технологии, способные  повысить качество пайки, увеличить  ее скорость и снизить стоимость.

    До  сих пор применяемая технология ручной пайки компонентов с помощью  различных конструкций паяльников и паяльных станций отличается универсальностью, большой гибкостью, однако весьма трудоемка, имеет низкую скорость и высокую  стоимость монтажа. Использование  современных микросхем и пассивных  компонентов в миниатюрных корпусах для поверхностного монтажа в  значительной степени затрудняет его  процесс ввиду плотной компоновки элементов, необходимости точного  их позиционирования на плате. Поэтому область применения ручной пайки ограничена мелкосерийным производством и ремонтными работами.

    Широко  применяемая технология групповой  пайки волной припоя в полной мере удовлетворяет требованиям монтажа  выводных компонентов, монтируемых  в отверстия платы, однако для  плотного поверхностного монтажа из-за значительного количества таких  дефектов, как мостики и наплывы  припоя, эффект “затенения” компонентов, она применяется меньше. Широкое  применение поверхностного монтажа  в изделиях электроники потребовало  использования разработки новых  технологий групповой пайки.

    Одной из первых таких технологий стала  пайка компонентов в конвекционных  печах, где оплавление припоя осуществлялось за счет нагрева его потоком горячего воздуха. В установках пайки с  принудительным конвективным теплообменом (Foced Air Convection Reflow) тепло к монтируемым  платам подается посредством конвективной теплоотдачи принудительно перемещающимся с малой скоростью нагретым воздухом. Скорость нагрева в таких системах определяется разностью температур между нагретым воздухом и печатной платой. Вследствие большой тепловой инерционности конвекционные печи имеют конвейер, движущийся с небольшой  скоростью, по которому платы проходят через несколько зон нагрева. Такая технология требует как  предварительного нанесения на контактные площадки паяльной пасты, так и приклеивания компонентов к поверхности платы, чтобы при обдуве горячим воздухом не произошло их смещения. Одним из недостатков этой технологии является разогрев до температуры пайки всей платы. В конвекционных печах практически невозможно точно выдерживать температурный профиль, что требуется для пайки корпусов типа BGA .

    Пайка оплавлением дозированного припоя в парогазовой фазе (Vapor-Phase Reflow), или  конденсационная пайка, получила широкое  применение в технологии ПМ начиная  с 1973 г. в разработках фирм “DuPont”  и “Western Electric Company” прежде всего  благодаря хорошей совместимости  со всеми технологическими операциями нового процесса монтажа. Этот метод  позволяет осуществлять групповую  пайку SMD в бескислородной, негорючей  среде с контролируемыми условиями  нагрева. Одной из важных особенностей такого процесса является независимость режимов нагрева от геометрической формы и размеров плат. Широко рекламировавшийся в 80-х годах процесс пайки SMD в парогазовой фазе ввиду таких недостатков, как дефицитность инертных жидкостей, разогрев до температуры пайки всей платы и компонентов, низкая скорость нагрева, экологические проблемы разложения жидкости, значительно утратил область применения.

    Следующим шагом в развитии технологий пайки  стало создание инфракрасных (ИК) печей, которые по сравнению с конвекционными обладают значительно меньшими габаритами (ввиду отсутствия конвейера) и лучшими  возможностями по поддержанию необходимого температурного профиля пайки. При  использовании ИК печей стало  возможным не приклеивать компоненты к плате. Однако разогрев всей платы  до температуры пайки остался, поэтому  все устанавливаемые на плату  компоненты должны быть в состоянии  выдерживать в течение нескольких десятков секунд температуру до 300 ^оС. 

Рис. 1. Установка ИК лампового  нагрева: 1 — вытяжная вентиляция, 2 — матрица  ИК ламп, 3 — плата, 4 — ИК лампа, 5 —  отражатель, 6 — устройство охлаждения, 7 — конвейер 

    Наиболее  совершенной в настоящее время  технологией пайки является локальная  инфракрасная, когда нагрев производится сфокусированным пучком ИК излучения  только в местах пайки. Установки  локальной ИК пайки состоят из двух нагревателей, один из которых  подогревает плату снизу до сравнительно невысокой температуры, и верхнего, осуществляющего в нужный момент быстрый локальный нагрев требуемой области платы до температуры плавления припоя. Фокусируемая пайка более всего подходит для проведения ремонтных работ с использованием микросхем в корпусах BGA, а также для монтажа и демонтажа компонентов в труднодоступных местах. Применение ИК пайки является новым перспективным направлением в технологии поверхностного монтажа (SMT), которое обеспечивает уменьшение затрат на эксплуатацию оборудования при одновременном повышении качества паяных соединений. 

    Физические  основы процесса и  особенности технологии ИК пайки.

    Из  всего спектра ИК излучения с  длинами волн в диапазоне 0,72-1000 мкм  для пайки используется только малая  часть этого диапазона: близкое  излучение 0,7-1,5 мкм, среднее излучение 1,5-5,6 мкм и дальнее — 5,6-10,0 мкм. Длина волны ИК излучения зависит  от температуры источника излучения (при высоких температурах нагрева  излучение имеет меньшую длину  волны). Температура нагрева тела будет в общем случае зависеть от длины волны излучения, степени  черноты или его отражающей способности, длительности облучения и, конечно, от массы тела. Чем короче длина  волны излучения, тем глубже оно  проникает в тело, поэтому близкое  ИК излучение будет обеспечивать более глубокое его проникновение  по сравнению со средним и дальним.

    Различные материалы по-разному адсорбируют  ИК энергию. Различают четыре условия  передачи ИК энергии телу: отражение, непрозрачность, прозрачность и полупрозрачность. В первом случае вся ИК энергия  отражается от поверхности тела, которое  не нагревается. Во втором — ИК энергия  тормозится на его поверхности, которая  в основном и нагревается. В прозрачном материале ИК энергия проходит через  него, не вызывая нагрева, в полупрозрачном — энергия проникает на определенную глубину, вызывая на этой глубине  нагрев тела.  В связи с особенностями  ИК излучения возникли проблемы в  практическом применении его в технологии пайки: 

• неравномерность нагрева различных компонентов  на поверхности платы из-за разной степени поглощения энергии;
• невоспроизводимость режимов нагрева вследствие рассогласования спектра излучения источника и спектров поглощения компонентов и платы;

• необходимость подбора режимов нагрева плат различной геометрии и массы;
• наличие затененных участков платы, где отсутствует прямое ИК излучение;

• необходимость защиты поверхности ИК излучателей  от испаряющихся флюсов.

    Первые  разработки в области применения ИК нагрева для пайки основывались на использовании в качестве излучателей  инфракрасных ламп с температурой излучающего тела, превышающей 800-1100^оС. Так как температура пайки обычно находится в диапазоне 210-215^оС, то режимы нагрева значительно отличались от равновесных, что приводило к возникновению перегрева участков на поверхности платы, связанных с различной степенью черноты, массой компонентов и другими причинами. Лампы ИК излучения представляют собой вольфрамовую спираль, размещенную внутри герметичной кварцевой трубки, наполненной инертным газом. Чаще всего они устанавливаются внутри рефлектора, отражающего излучение на нагреваемый объект. Лампы и рефлекторы излучают в основном ИК энергию среднего, меньше ближнего и совсем мало дальнего спектра. Эта энергия составляет более 90% энергии, идущей на нагрев тела. Так как воздух практически прозрачен для ИК излучения, то он почти не нагревается, поэтому конвективная составляющая, также как и кондуктивная, минимальна. Основные достоинства нагрева лампами ИК излучения — высокая скорость нагрева, низкая инерционность нагревателей, возможность оперативного изменения температурно-временного профиля нагрева, относительная простота обслуживания и самого оборудования.

    Атмосфера в зоне ИК пайки также оказывает  влияние на ее качество. Чаще всего  ИК установки работают в условиях воздушной атмосферы, однако присутствие  кислорода в зоне пайки не всегда желательно, так как может происходить  окисление припоя и разрушение органических материалов. Поэтому при пайке  в воздушной атмосфере ограничивается длительность цикла нагрева, которая  не должна превышать 100-150 с. Перспективно применение при ИК пайке инертной среды, азота с малым содержанием  кислорода и водородно-азотной смеси. При этом улучшается качество пайки за счет исключения окисления припоя, повышения активности флюса, возрастает также краевой угол смачиваемости флюса, что уменьшает его количество, затекающего под корпуса элементов, остаточные ионные загрязнения на платах, упрощает очистку печатных плат. 
 
 

Конструкции установок ИК пайки.

    В настоящее время в технологии ИК пайки применяют три разновидности  конструкций установок, различающиеся  видом излучателей: ламповые, панельные  и комбинированные. Установки с  ламповыми излучателями содержат несколько  зон нагрева, где установлен ряд трубчатых ИК ламп снизу и сверху транспортера, на котором размещаются монтируемые платы (рис. 1).

    В зоне оплавления располагается большее  количество ламп, заключенных в отражающие рефлекторы, что позволяет создать  большую плотность ИК излучения. В зоне предварительного нагрева  лампы располагаются реже, что  обеспечивает плавный режим нагрева  и выравнивание температуры компонентов. Для удаления летучих соединений, образующихся при пайке, на выходе и  входе из зоны нагрева используется система вытяжной вентиляции. На выходе также имеется система принудительного охлаждения плат.

    Аналогичную конструкцию имеют установки  с панельным ИК нагревом в виде керамических панелей различной  мощности, что также позволяет  осуществлять формирование необходимого температурно-временного профиля нагрева, но не с такой степенью гибкости. Конструкция ИК панельного нагревателя  включает в себя три слоя. Лицевая  сторона, обращенная к нагреваемой  плате, изготавливается из стекла, керамики или металла, и в зависимости  от применяемого материала она может  выполнять функции вторичного излучателя или прозрачного окна. В первом случае излучающие свойства будут уже определяться не первичным нагревателем, а материалом лицевого слоя. Второй слой или первичный нагреватель обычно изготавливаются в виде фольги или спирали из резистивного материала. Третий слой является изоляционным и выполняется из тугоплавкой керамики.

    Широкое применение нашли панельные излучатели Panel IR System, работающие в среднем и дальнем спектре излучения 3-10 мкм, которые конструктивно представляют собой нагреваемые керамические панели больших размеров, работающие при температуре 200-450 ^оС. Такие установки содержат воздушные камеры или камеры с инертным газом, поэтому 60% тепловой энергии к нагреваемым объектам доставляется за счет конвекции, а 40% за счет ИК излучения среднего и дальнего спектра. Малая разница температур излучателя и нагреваемого объекта обеспечивает нагрев в режиме, близком к равновесному. В данном случае теряются такие достоинства лампового ИК нагрева, как безынерционность, гибкость регулирования режимов, другие. 
 
 

Рис. 2. Установка ИК нагрева  комбинированного типа: 1 - панельные нагреватели; 2 - печатная плата, 3 - кварцевые  ИК лампы, 4 - охлаждающее  устройство, 5 - корпус, 6 - конвейер, 7 - микропроцессор, 8 – дисплей

    В ИК установках панельного типа нагрев производится как за счет излучения, так и за счет конвекции, потому что  ИК излучение в спектре 5-8 мкм  хорошо поглощается воздухом. Установки  такого типа могут содержать несколько  зон предварительного нагрева с  расположением нагревателей с одной  или с двух сторон конвейера. Увеличение количества зон позволяет увеличивать  скорость конвейера. Панельные нагреватели  обеспечивают более равномерный  нагрев плат, кроме того, средний  и дальний ИК спектр не чувствителен к цвету  нагреваемых объектов (при температуре ниже 600 оС). Такие нагреватели также меньше чувствительны к загрузке зоны нагрева. Недостатками этих установок является их инерционность к изменению режимов и профиля зоны нагрева, так как каждая из панелей имеет неравномерное температурное поле по площади поверхности. В частности, панели с металлической лицевой частью имеют более низкую температуру по краям, в то время как панели с прозрачной для ИК излучений лицевой поверхностью, наоборот, имеют большую температуру в зоне кромок.

    Большую гибкость и возможность использования  преимуществ лампового и панельного нагрева обеспечивают комбинированные  системы (рис. 2), в которых панельные  и ламповые ИК нагреватели образуют необходимое количество зон нагрева. В первой и второй зонах осуществляется предварительный нагрев изделия  с помощью панельных нагревателей, обеспечивающих равномерный нагрев и заданную температуру. Расплавление при-пойной пасты происходит в третьей  зоне с помощью кварцевых ИК ламп, после чего изделие охлаждается  в четвертой зоне. Печатные платы транспортируются через установку на ленточном конвейере.