Лекции по курсу - Технология и автоматизация производства электронной аппаратуры

Подождите немного. Документ загружается.

251

тых магазинах или россыпью. Для их установки на ПП используются автоматиче-

ские укладчики. Станок М-2501 содержит магазинный питатель для подачи плат,

систему позиционирования, блок поворота платы, вакуумный захват, модуль

ультрафиолетового отверждения клея, которым крепится компонент, и магазин-

ный накопитель собранных изделий. Подача компонентов производится по про-

грамме с 60 катушек. Для

исключения повреждения активных элементов во время

транспортирования в диэлектрический материал ленты при формовании вводят

углеродный наполнитель, обладающий антистатическим свойством.

Более универсальным является автомат МС-30 фирмы Excellon Mi-cronetics

(США). Он может манипулировать с любыми выпускаемыми для поверхностного

монтажа компонентами. Компоненты подаются к позициям вакуумного захвата

на катушках, в магазинах или россыпью

с вибробункера. В автомате предусмот-

рены три режима работы. В первом вакуумная головка захватывает компонент,

прокатывает его по барабану, покрытому паяльной пастой или эпоксидной смо-

лой, и устанавливает на требуемое место на плате. Во втором режиме произво-

дится то же самое с двукратным намазыванием, а в третьем – только захват и ус

тановка элемента.

В станке модели Microplacer фирмы МТ1 (США) компоненты захватываются

приспособлением, в котором программируется давление захвата, и оно определя-

ет габариты компонента, обеспечивая функции контроля размеров. В приспособ-

лении имеется также центрирующий механизм, который делает менее критичны-

ми ориентацию и точное размещение компонента в питателе. Система оптическо-

го

распознавания просматривает в режиме сканирования все собираемые платы,

выделяя дефектные.

Автоматические укладчики для поверхностного монтажа компонуются моду-

лями, выполняющими другие функции, и модулями перемещения плат. Наиболее

совершенным является оборудование фирмы Universal (США). В нем позицио-

нируют сразу две платы, и пока на одну наносится точно дозированное количест-

во клея, на

второй производится установка компонента. Устанавливаемые компо-

ненты подвергаются операционному контролю и при отклонении параметра за-

меняются исправными.

252

Монтаж на поверхности может быть выполнен в трех различных вариантах.

Первый предусматривает размещение на верхней стороне платы только компо-

нентов, монтируемых в сквозные отверстия, а на нижней — компонентов для по-

верхностного монтажа. Соединение элементов с платой осуществляется путем

пайки волной припоя. Однако обычная волна припоя оказывается неэффективной

для монтажа микрокорпусов, так

как припой не может подтекать под них и дос-

тигнуть экранированных или металлизированных контактных площадок. Приме-

нение двойной волны, поступающей из двух резервуаров, позволяет обеспечить

полный охват припоем металлизированных участков по всему периметру. Вто-

ричная волна также удаляет избыток припоя с монтажных соединений.

В случае смешанного расположения компонентов на каждой

стороне платы

(второй вариант) ТП сборки усложняется (рис. 27.2). Сначала монтируют компо-

ненты в микрокорпусах оплавлением припоя, а затем волной припоя – остальные.

Рис. 27.2. Схема сборки и монтажа ПП при смешанном расположении компонен-

тов.

Для оплавления припоя применяют индивидуальный или групповой инстру-

мент (рис. 27.3). Он захватывает микрокорпус (а), опускается на плату (б) и рас-

плавляет припой на контактных площадках (в). После этого инструмент поднима-

253

ется (г). Толкатель удерживает элемент до тех пор, пока не наступит кристаллиза-

ция припоя. В инструменте с высокой точностью поддерживается температура,

чтобы исключить перегрев кристалла в микрокорпусе. С помощью инструмента

можно проводить также и ремонтные работы.

Рис. 27.3. Монтаж микрокорпуса на плату специальным инструментом.

Третий вариант предусматривает установку элементов только на поверхность

ПП различными методами пайки.

Групповая пайка блоков

Классификация способов групповой пайки.

Современные способы групповой пайки блоков ЭА можно классифицировать

по нескольким признакам, являющимся главными факторами при формировании

паяных соединений. Образование паяного соединения включает стадии активации

паяемых материалов, перехода припоя в жидкое состояние, смачивания и расте-

кания припоя, взаимодействия припоя с паяемыми материалами. Таким образом,

один из важных

факторов – тепловая энергия системы – определяет скорость про-

текания процессов на всех стадиях и качество получаемых соединений.

Передача тепловой энергии осуществляется теплопроводностью, конвекцией,

излучением либо их совместным действием. При нагреве теплопроводностью ис-

точниками тепловой энергии могут быть расплав в ванне, волна припоя, нагретая

жидкость либо групповой инструмент. Конвективный теплообмен осуществляет-

ся

с использованием летучего теплоносителя: горячего газа, паров жидкости,

пламени горелки. Излучение, наиболее эффективное в форме концентрированных

потоков энергии, вводится в зону пайки контактным путем, например УЗ-

254

колебаниями, либо бесконтактным: электромагнитной волной, инфракрасным из-

лучением, лазерным лучом и т. д. Классификация способов групповой пайки при-

ведена на рис. 27.4. Другим не менее важным фактором являются физико-

химические процессы взаимодействия паяемых материалов и припоя, включая

механизмы удаления оксидных пленок, воздействия специальных сред и т. д.

Удаление оксидных пленок может осуществляться

за счет применения флюсов,

механическим путем, созданием специальных сред, УЗ-колебаниями, плазмохи-

мической или ионной очисткой.

Рис. 27.4. Классификация методов групповой пайки.

Основными критериями, характеризующими эффективность каждого из спо-

собов, могут служить следующие:

• скорость нагрева паяемых элементов – V

=∆T/∆t;

•локальность – K

= S

, где S

, S

– площади пайки и нагретого инструмента

соответственно;

• уровень энергопотребления – K

, где W

, W

– мощности, вводимая в

зону пайки и потребляемая от источника соответственно;

255

• уровень автоматизации – K

∑

i 1

, где T

, Т

– длительности соответст-

венно автоматизированных операций и технологического процесса пайки;

• габаритно-программный показатель – K

, где S

, – площадь блока; N –

сменная программа выпуска; S

– площадь, занимаемая технологическим обору-

дованием пайки, флюсования, очистки.

Скорость нагрева непосредственно определяет время, производительность и

экономичность процесса пайки. Совместное действие нагрева погружением и УЗ-

активации позволяет реализовать различные способы бесфлюсовой пайки, УЗ,

ВЧ, ИК-излучений – безфлюсовые и бесконтактные методы активации.

Увеличение локальности нагрева позволяет ограничить температурное воздей-

ствие на

паяемое изделие, снизить тем самым нагрев термочувствительных ком-

понентов и платы, повысить качество паяных соединений. Уровень энергопо-

требления характеризует экономичность метода, способность эффективно ис-

пользовать тепловую энергию без больших ее потерь в окружающем пространст-

ве. Уровень автоматизации показывает, какая доля операций всего технологиче-

ского процесса пайки автоматизирована и характеризует применяемое технологи

ческое оборудование по уровню автоматизации процесса. Габаритно-

программный показатель определяет эффективность использования оборудования

для заданной серийности производства на данной производственной площади.

Кроме перечисленных факторов выбор способа групповой пайки определяется

экологической чистотой процесса, особыми требованиями техники безопасности,

конструктивными формами паяных соединений.

Пайка погружением.

При пайке погружением собранная плата стороной пайки опускается в рас-

плавленный припой, который является источником нагрева. Так как переход теп-

лоты от жидкого припоя большой массы (50 кг и более) к контактным площадкам

и выводам компонентов происходит достаточно быстро, то нагрев зоны соедине-

ния до температуры пайки достигается в течение 1÷2 с. В

зависимости от харак-

тера движения платы относительно поверхности припоя различают следующие

256

способы пайки погружением в расплав припоя (рис. 27.5): вертикальным переме-

щением (а), наклонным перемещением (б), колебательным движением (в), маят-

никовым движением (г), протягиванием по поверхности припоя (д), избиратель-

ной подачей припоя (е).

Рис. 27.5. Способы пайки погружением.

Погружение платы в припой вертикальным перемещением осуществляют на

глубину, не превышающую ее толщину. Наиболее важными технологическими

параметрами при этом являются: температура расплава припоя, которая поддер-

живается на уровне +260÷+280 °С, и время погружения в пределах 4÷6 с. Ванны

для пайки оснащаются терморегуляторами, которые поддерживают температуру в

заданном интервале с точностью ±5 °С. Нагревательные

элементы располагают

таким образом, чтобы дно ванны было нагрето сильнее ее стенок. В этом случае

за счет естественной конвекции происходит перемешивание жидкого припоя,

обеспечивающее однородность состава во всем объеме ванны. Поверхность при-

поя (зеркало) при пайке должна быть чистой и свободной от оксидов, которые

удаляются скребком перед каждым погружением платы.

При вертикальном погружении и извлечении платы наблюдается ряд недос-

татков, которые связаны с условиями удаления жидких и газообразных остатков

флюса и излишков припоя. Для устранения затруднений выхода остатков флюса

на поверхность припоя плата укладывается в держатель, который под углом

(5÷10) ° опускается на поверхность припоя и протягивается определенное рас-

стояние по зеркалу

припоя. Впереди держателя имеется скребок, который очища-

ет поверхность зеркала от оксидов припоя. При подъеме платы излишки припоя

стекают в ванну. Поскольку спокойная ванна припоя имеет меньшую склонность

257

к окислению, то состав и чистота припоя поддерживаются с хорошим постоянст-

вом. Скорость протягивания составляет 5÷8 м/мин, время протягивания одной

платы – до 10 с. Установки для пайки протягиванием легко встраиваются в обыч-

ный сборочный конвейер. Недостатками способа являются относительно большое

время пайки и связанное с этим значительное тепловое воздействие на поверх-

ность

платы. Последний недостаток устраняется применением защитных масок.

Во избежание коробления плат при пайке погружением термочувствительных

элементов применяют избирательную пайку, которая заключается в подаче при-

поя только в места пайки. Ванна с припоем закрыта специальным кондуктором, в

котором имеются отверстия, точно соответствующие числу и расположению зон

пайки. Подача припоя осуществляется с

помощью поршня, который выдавливает

его через отверстия кондуктора в места пайки. Недостатком метода является

трудность перестройки на другой типоразмер плат.

Пайку погружением в нагретую жидкость, например жидкий теплоноситель

ОЖ-1 на основе лапрола Л2502-ОЖ при температуре +260 °С или глицерин при

температуре +240 °С, используют главным образом для оплавления гальваниче-

ского покрытия олово–свинец на печатных платах с целью улучшения их паяемо-

сти.

Волновые способы пайки.

Способ пайки волной (wave soldering), впервые предложенный в 1955 г. в Анг-

лии, – в настоящее время самый распространенный в промышленности для пайки

печатных плат крупносерийного и массового производства ЭА. Преимущества

этого способа заключаются в высокой производительности вследствие механизи-

рованного движения плат относительно припоя и возможности создания автома-

тизированных установок, включающих полный комплекс

операций: обезжирива-

ние, флюсование, подогрев, пайку, отмывку от флюса и сушку, во взаимодейст-

вии платы с чистой поверхностью припоя в короткий промежуток времени, что

снижает термоудар, коробление диэлектрика, перегрев элементов. Недостатки –

большая масса припоя в ванне, 100÷500 кг, повышенные габариты оборудования,

большее окисление припоя.

258

Технологические основы метода пайки волной обусловлены характером взаи-

модействия потока припоя и платы. Главным условием высокой разрешающей

способности пайки волной, позволяющей без перемычек, мостиков и сосулек

припоя паять платы с малыми зазорами между печатными проводниками, являет-

ся создание тонкого и равномерного слоя припоя на проводниках платы, что в

свою очередь способствует

формированию паяных соединений «скелетной» фор-

мы. Процесс пайки состоит из трех этапов: вхождения платы в припой (точка А на

рис. 27.6), контактирования с припоем (отрезок АВ) и выхода из припоя (точка В).

Рис. 27.6. Схема взаимодействия волн припоя и платы.

а- односторонняя волна, б – двусторонняя.

На первом этапе направление фонтанирования волны V

способствует удале-

нию паров флюса из зоны реакции (как при симметричной двусторонней, так и

при направленной односторонней волне). На втором этапе полоса растекания

припоя по плате АВ в сочетании со скоростью конвейера V

определяет время

пайки. При двусторонней волне это время больше, что обеспечивает более полное

заполнение припоем металлизированных отверстий. Увеличение времени взаимо-

действия, однако, повышает толщину припоя на печатных проводниках до неко-

торого предела.

Окончательное формирование толщины слоя происходит на выходе платы из

волны припоя в точке В. При этом в односторонней

волне продольная состав-

ляющая скорости фонтанирования V

вычитается из скорости конвейера, при

этом смываются излишки припоя и утончается оставшийся слой припоя.

259

При односторонней волне более благоприятными являются горизонтальное

положение конвейера, пологая форма и возможно большая скорость циркуляции

припоя. Глубина «ныряния» обычно составляет 0,6÷0,8 толщины платы, но может

достигать 1,5÷2,0 толщины с носовым козырьком в передней части кассеты. В

двусторонней волне скорость V

складывается со скоростью конвейера V

и спо-

собствует образованию наплывов. Таким образом, в двусторонней волне необхо-

димо стремиться к повышению угла наклона, увеличению крутизны волны и

уменьшению скорости фонтанирования.

Односторонняя волна применялась в установке пайки АП-4, имевшей конвей-

ер, двигавшийся со скоростью до 1,5 м/мин, и блок создания волны. Вследствие

ряда недостатков эта установка

снята с производства. Двусторонняя волна ис-

пользуется в линии пайки ЛПМ-300 и установке TDF фирмы Hollis, имеющих

скорость конвейера до 2,5 м/мин, пенный флюсователь, подсушку флюса.

В технологии групповой пайки электронных блоков на ПП наряду с односто-

ронней и двусторонней параболической волнами применяют волны других про-

филей (рис. 27.7): плоскую (или

широкую), вторичную (или «отраженную»),

дельта-, лямбда- и омега-волны.

Рис. 27.7. Профили волн для групповой пайки.

а – плоская, б – дельта, в – лямбда.

260

Плоская, или широкая, волна имеет протяженность до 70÷90 мм, что увели-

чивает площадь контакта между платой и припоем и позволяет повышать про-

изводительность процесса пайки за счет увеличения скорости движения платы

до 3 м/мин (установка ASTRA фирмы Hollis (США)). Подобная конфигурация

волны позволяет получать качественные паяные соединения при меньшей тем-

пературе припоя

, чем при пайке волной параболической формы. К недостаткам

данной волны относится увеличенная открытая поверхность расплава, способ-

ствующая образованию оксидных пленок в припое. Вторичная волна образует-

ся за счет наклонного отражателя с одной стороны сопла, что обеспечивает

удержание определенного количества припоя в виде волны меньшей высоты.

Температура во вторичной волне меньше,

чем в основной. За счет взаимодейст-

вия платы и вторичной волны происходит оплавление сосулек припоя и по-

вторная пайка соединений.

Дельта-волна характеризуется стоком припоя в одну сторону, для чего одна

стенка сопла выполнена удлиненной, а также большим напором припоя, что

обеспечивает более глубокую волну, которая применяется для пайки элементов

с удлиненными выводами, например разъемов с выводами под накрутку. Не-

достаток – большая зависимость высоты волны от степени нагнетания припоя и

трудность ее поддержания на постоянном уровне.

Лямбда-волна, предложенная фирмой Electrovert (Канада), использует на-

садку сложной формы, имеет передний со стороны платы крутой слив припоя и

длинный практически горизонтальный профиль

волны на выходе платы. На

входе платы в волне формируется ускоренный поток припоя, обладающий хо-

рошим смачивающим действием и проникающей способностью. На выходе ус-

танавливается практически нулевая скорость платы относительно припоя, а по-

степенное увеличение угла между платой и поверхностью припоя устраняет

образование наплывов и сосулек. Такой профиль волны позволяет вести

каче-

ственную пайку многослойных плат с плотным монтажом и используется в ус-

тановке WSV фирмы Electrovert, где высота волны регулируется от 13 до 19

мм при скорости конвейера до 5,4 м/мин.