Анализ новых технологий пайки металла

     После пайки важнейшими технологическими операциями являются: удаление остатков флюсов, зачистка соединения от наплывов припоя, обработка резанием изделия  и его термообработка. Контроль качества паяных соединений определяется характером работы изделия и его служебными свойствами: механическими, герметичностью, плотностью, электросопротивлением, коррозионной стойкостью, стойкостью против термоударов, перегрузок и др., характеризующих условия эксплуатации изделия. Лучшим методом контроля качества паяных соединений изделия следует считать испытание последних в эксплуатационных условиях или в условиях, имитирующих их в течение заданного срока наработки.

 

     Неразрушающие методы контроля качества базируются на обнаружении дефектов паяных соединений и оценке степени их опасности для изделия в условиях эксплуатации. Весьма важен контроль посредством осмотра паяного соединения. В ряде случаев осмотр позволяет выявить дефекты и определить причину их возникновения.

                       2.1. Технологии пайки нового  поколения

     Как известно, работы, связанные с промышленной пайкой и пайкой – сваркой, - одни из наиболее ответственных, дорогостоящих и во многом определяющих качество готовой продукции. Их проведение требует не только использования громоздкого, тяжелого и подчас опасного оборудования, но и высокой квалификации рабочего персонала. Да и экологическая сторона этих операций такова, что заставляет классифицировать работу сварщикакак вредную для здоровья. [12]

     Широкое распространение бес свинцовых  паяльных паст, а также расширение типов корпусов компонентов (начиная с больших ВОА-корпусов и заканчивая компонентами), приводит к необходимости разработки новых паяльных печей для обеспечения большей управляемости процессом теплопередачи.

     В таблицах 1 и 2 приведены характеристики типичных бес свинцовых паяльных паст. Из таблицы 1, в которой приведены характеристики основных паяльных паст (исключая содержащие висмут), видно, что бес свинцовые паяльные пасты имеют большую температуру плавления, чем общепринятые припои 8п/РЬ. Из параметров оплавления пасты на меди (таблица 2) видно, что, кроме того, бес свинцовые паяльные пасты не смачивают поверхность так же хорошо, как припой 8п63/РЬ37, который растекается тонким и широким слоем. Дополнительные тесты показали, что, в то время как припои 8п63/РЬ37 имеют растекаемость 93%, у бес свинцовых паст этот параметр варьируется от 73 до 77%²⁰. [6]

     

                   
 
 

                  Таблица 1. Типичные характеристики бес свинцовых припоев

            
 
 
 
 

                   Таблица 2. Параметры смачивания по меди

     Паяльные  пасты состава 8п63/РЬ37 имеют температуру  плавления 183°,

при этом пиковая температура выводов  небольших компонентов достигает 240°, а температура выводов больших  компонентов — 210°. Однако эта разница  в 30° между большими и малыми компонентами не влияет на характеристики паяных соединений. Это связано с тем, что паяные соединения формируются при температуре припоя на 27 -57° выше температуры плавления. И так как текучесть металлов увеличивается при больших температурах, эти условия благоприятны для производства.

     У бес свинцовых припоев, однако, точка  плавления, например, 8п/А°; достигает 216 -221°. Это приводит к тому, что выводы больших компонентов должны быть нагреты до температуры выше 230°, чтобы гарантировать плавление. Если при этом пиковая температура выводов малых компонентов не должна превышать 240°, то разница между большими и малыми компонентами уменьшается до 10°.[11] Это также резко уменьшает разницу между точкой плавления припоя и пиковой температурой пайки в печи. Таким образом, в печи должна быть снижена разность пиковой температуры между большими и малыми компонентами и должен поддерживаться стабильный температурный профиль по поверхности печатной платы для обеспечения высоких производственных характеристик.

     Необходимо  учитывать теплоемкость и теплопроводность нагреваемых элементов. Это особенно важно для корпусов БОА (и печатных плат), которые нагреваются первыми. Тепло затем передается контактным площадкам и сферическим ВОА-выводам для формирования паяных соединений. Например, воздух температурой 230° нагревает поверхность корпуса быстрее, и даже при значительной скорости обдува контактные площадки и ВОА-выводы будут нагреваться ощутимо дольше, чем обычно. Таким образом, во избежание теплового шока монтируемые детали не должны перегреваться в зоне плавления, а контактные площадки и плавкие выводы БОА должны быть нагреты до температуры, достаточной для формирования паяного соединения.

     Два самых простых метода нагревания для пайки — это воздушная  конвекция и инфракрасный нагрев. При использовании воздуха в  качестве средства для передачи тепла конвекция идеальна для нагревания компонентов, которые «выступают » из платы, таких, как выводы и маленькие детали. Однако при этом образуется пограничный слой между горячим воздухом и платой, который делает подачу тепла последней неэффективной (рис. 1).

                                           Рисунок 1. Воздушная конвенция

         Однако при отсутствии правильного управления может произойти перегрев платы и компонентов. ИК-излучатели, такие, как лампы и нагревательные стойки, имеют ограниченную площадь, при этом зона наибольшего нагрева находится непосредственно под нагревателем.[13] По этой причине ИК-нагреватели должны быть больше, чем целевая ПП, чтобы обеспечить равномерную теплопередачу и предотвратить остывание ПП. Из трех механизмов теплопередачи — теплопроводность, излучение и конвекция — только два последних поддаются управлению. Теплопередача путемизлучения является эффективным и мощным механизмом, что показывает следующая формула:

                                       ТСК)е = ЬТ ⁴, 

     где тепловая энергия излучения - е - пропорциональна  четвертой степени абсолютной температуры, Ь — постоянная Стефана —Больцмана.[8]

     Таким образом, требуется прецизионное управление температурой, из-за того, что мощность ИК-нагрева очень чувствительна к температуре нагревателя. В то же время конвекционный механизм не является столь мощным, но обеспечивает качественный равномерный нагрев в печи.

     Наиболее  передовые современные печи используют достоинства обоих методов нагрева. Разница пиковых температур между компонентами может поддерживаться в пределах 8°С, точность стабилизации температуры при массовом производстве может составлять 1°С. Основным принципом совмещения ИК-излучения и принудительного конвекционного нагрева является использование излучения в качестве основного источника нагрева для оптимальной передачи тепла

и использование  свойств равномерного нагрева при  конвекции для уменьшения разницы  температур между компонентами и  печатной платой. Конвекция служит для нагрева компонентов с большой теплоемкостью, и одновременного охлаждения компонентов с небольшой теплоемкостью.

     Кроме того, в современных паяльных печах, в отличие от старых моделей, применяются ИК-нагреватели панельного типа. Панельные нагреватели обеспечивают более равномерный нагрев.

            При использовании  бес свинцовых  паяльных паст разность температур  между компонентами должна быть минимизирована. Одним из методов достижения этой цели является коррекция стандартного температурного профиля. Возможны следующие изменения:

     - увеличение времени предварительного  нагрева. При этом значительно  уменьшается температурная разность между компонентами перед нагревом до пиковой температуры;

     увеличение  температуры предварительного нагрева. Обычная температура предварительного нагрева составляет 140 -160°С и может быть повышена до 170 -190°С при использовании бес свинцовых паяльных паст.

     - использование трапециидального  температурного профиля (увеличение  времени нагрева с пиковой температурой). Это позволяет компонентам с большой теплоемкостью достичь требуемой температуры и избежать перегрева небольших компонентов.

     В дополнение к использованию печей  нового поколения требуется точное соблюдение технологических параметров, что приводит к необходимости постоянного мониторинга, так как даже легкое нарушение технологического процесса приводит к появлению бракованных паяных соединений. Наиболее эффективным методом является постоянный контроль температуры в реальном масштабе времени. Система измерения температуры позволяет сборщикам получать и анализировать данные о характере процесса пайки в реальном масштабе времени. Такие системы обычно содержат порядка 30 термопар, смонтированных на двух узких зондах из нержавеющей стали, которые

установлены непосредственно над и под  конвейером. Данные с термопар считываются каждые 5 секунд и отображаются на дисплее компьютера в виде температурного профиля пайки.[13]

            Система контроля температуры обеспечивает построение температурного профиля для каждой платы путем вычисления математической корреляции между профилем, измеренным термопарами, и общей температурой процесса. Такой «виртуальный » профиль вычисляется каждые 30 секунд. Кроме того, вычисляются статистические данные, такие, как пиковая температура.

     Система контроля издает звуковой сигнал при  нарушениях технологического процесса и отключает конвейер при выходе за критические параметры. Это позволяет пользователю производить постоянную запись температурных профилей для каждой собранной платы, кроме того, система может передавать данные внешней системе статистического контроля. Другим преимуществом системы измерения температурного профиля в реальном масштабе времени является отсутствие необходимости в остановке производства для измерения профиля стандартным «протяжным » измерителем и настройка печи только по необходимости. Исследования показали, что современные печи с принудительной конвекцией могут долгое время эффективно работать без перенастройки. Использование системы контроля профиля в реальном масштабе времени позволяет производить настройку только по необходимости.