Пайка и контроль печатных плат
1. Пайка на печатных платах [4]
пайка печатный плата припой
Общие сведения. Пайка представляет собой распространенный способ монтажа компонентов в производстве радиоэлектронных узлов. При этом обеспечивается и механическое крепление выводов компонентов, и электрическое контактирование в соответствии с электрической принципиальной схемой. При пайке две металлические детали (или детали с металлическим покрытием) соединяются при помощи припоя - третьего металла или сплава. Соединяемые детали не расплавляются сами, расплавляется только припой. Поэтому пайка имеет более щадящий тепловой режим для деталей, чем сварка. Для получения качественного паяного соединения, обладающего хорошими электропроводящими и прочностными свойствами, необходимо обеспечить несколько условий:
1. Получить чистые металлические поверхности у соединяемых деталей (удалить загрязнения и пленки окислов) с помощью технологического флюса;
2. Нагреть припой выше точки плавления;
3. Обеспечить вытеснение флюса с помощью наступающего припоя;
4. Обеспечить растекание жидкого припоя по металлической поверхности;
5. Обеспечить диффузию атомов из твердой металлической фазы в жидкий припой и наоборот - образование сплавных зон.
Среди припоев в радиоэлектронике наиболее широкое распространение получили припои на основе композиции олова и свинца (ПОС). Сплав имеет особую точку, называемую точкой эвтектики. В этой точке температура кристаллизации припоя составляет 183°С, что значительно ниже точек плавления Sn и Pb (232°С и 327°С).
Флюс является материалом, под воздействием которого происходит быстрое и совершенное смачивание металлической поверхности соединяемых деталей расплавленным припоем благодаря влиянию сил поверхностного натяжения. Кроме того, флюс обладает свойством растворения и удаления окисных слоев на контактируемых металлах и защиты очищенной поверхности от нового окисления. Остатки флюса должны легко удаляться, быть не изменять электрические параметры исходного материала и не вызывать коррозии. Распространены флюсы на основе органических кислот из смол хвойных пород деревьев (канифоль). Известно и большое количество синтетических материалов.
Смачивание, как решающий фактор процесса пайки, может улучшаться посредством поверхностно-активных веществ флюсов. Качество смачивания можно определить по краевому углу смачивания. Уменьшение поверхностного натяжения припоя в расплавленном состоянии приводит к уменьшению угла смачивания. Именно в процессе смачивания создаются условия (наряду с высокой температурой) для создания диффузионных сплавных зон на границах раздела припоя и соединяемых металлов, которые определяют прочностные характеристики паяного соединения. Зачастую прочность диффузионных сплавных зон превышает прочность соединяемых металлов.
В последнее время набирает силу движение за исключение свинца как токсичного металла из электронных сборок. В поисках сплавов на замену традиционной композиции SnPb исследовано большое количество материалов, однако абсолютно равноценной замены пока не найдено. ПОС обладает практически оптимальными свойствами для РЭА: хорошей смачиваемостью, прочностью, пластичностью, удобной точкой плавления, коррозионной стойкостью, усталостной прочностью, и, наконец, стоимостью.
Появление на ПП поверхностно монтируемых компонентов существенно изменило технологию пайки. Пайка волной припоя была внедрена в середине прошлого века и до настоящего времени является единственным групповым методом пайки компонентов, устанавливаемых в отверстия ПП. Она выполняется чаще всего погружением обратной стороны платы с выступающими выводами в ванну с припоем. Для пайки плат со смешанным монтажом (компоненты, монтируемые в отверстия с одной стороны платы и простые, монтируемые на поверхность с другой) был разработан метод пайки двойной волной припоя.
Для пайки поверхностно монтируемых компонентов была разработана технология оплавления дозированного припоя. Методами трафаретной печати припой в виде пасты наносится на контактные площадки ПП, затем на него устанавливаются компоненты. В ряде случаев припойную пасту просушивают после нанесения с целью удаления из ее состава летучих ингредиентов или предотвращения смещения компонентов непосредственно перед пайкой. Оплавление припоя и получение паяных соединений происходит в нагревательном устройстве.
В 1973 г. появилась пайка в парогазовой фазе (ПГФ), когда фирма DuPont разработала и запатентовала специальные жидкие материалы, имеющие температуру кипения 215°С. С 1983 г. основным конкурентом пайки в ПГФ стала пайка расплавлением дозированного припоя с помощью инфракрасного нагрева (ИК-пайка). Примерно с этого же времени развивается пайка в конвекционных печах. В Японии пайка компонентов, устанавливаемых на поверхность недорогих плат с низкой плотностью монтажа, производится с применением нагретого инструмента. Для чувствительных к тепловому воздействию и сложных микросборок с поверхностным монтажом ведущими японскими компаниями была разработана лазерная пайка. Ведущие поставщики сборочно-монтажного оборудования обычно включают установки для пайки в состав выпускаемых производственных линий.
Пайка волной припоя применяется только для пайки компонентов в отверстиях плат (традиционная технология), хотя некоторые изготовители утверждают, что с ее помощью можно производить пайку поверхностно монтируемых компонентов с несложной конструкцией корпусов, устанавливаемых на одной из сторон ПП.
Процесс пайки прост. Платы, установленные на транспортере, подвергаются предварительному нагреву, исключающему тепловой удар на этапе пайки. Затем плата проходит над волной припоя. Сама волна, ее форма и динамические характеристики являются наиболее важными параметрами оборудования для пайки. С помощью сопла можно менять форму волны. В настоящее время каждый производитель использует свою собственную форму волны (в виде греческой буквы «омега», Z-образную, Т-образную и др.). Могут варьироваться направление и скорость движения потока припоя, достигающего платы, но они должны быть одинаковы по всей ширине волны. Регулируется также угол наклона транспортера для плат. Некоторые установки для пайки оборудуются дешунтирующим воздушным ножом, который обеспечивает уменьшение количества перемычек припоя. Нож располагается сразу же за участком прохождения волны припоя и включается в работу, когда припой находится еще в расплавленном состоянии на ПП. Узкий поток нагретого воздуха, движущийся с высокой скоростью, уносит с собой излишки припоя, тем самым, разрушая перемычки и способствуя удалению излишков припоя.
Когда появились ПП, с обратной стороны которых устанавливались поверхностные компоненты, их пайка производилась волной припоя. При этом возникло множество проблем, а именно: непропаи и отсутствие галтелей припоя из-за эффекта затенения другими компонентами, преграждающими доступ волны припоя к соответствующим контактным площадкам, а также наличие полостей с захваченными газообразными продуктами разложения флюса, мешающих доступу припоя. Потребовалось изменить технологический процесс пайки волной, внедрив вторую волну припоя. Первая волна делается турбулентной и узкой, исходит из сопла под большим давлением. Турбулентность и высокое давление потока припоя исключает формирование полостей с газообразными продуктами разложения флюса. Однако турбулентная волна все же образует перемычки припоя, которые разрушаются второй, более пологой волной с малой скоростью истечения. Вторая волна устраняет перемычки припоя, а также завершает формирование галтелей. Для обеспечения эффективности пайки параметры каждой волны должны быть регулируемыми, волны должны иметь отдельные насосы, сопла и блоки управления.
Пайка двойной волной припоя применяется в настоящее время для одного типа ПП: с традиционными компонентами на лицевой стороне и простыми компонентами (чипами и транзисторами) на обратной. Некоторые компоненты (даже пассивные) могут быть повреждены при погружении в припой во время пайки. Поэтому важно учитывать их термостойкость и принимать меры предосторожности: применять поверхностно монтируемые ИС, не чувствительные к тепловому воздействию; снизить скорость транспортера; проектировать ПП таким образом, чтобы исключить эффект затенения. Хорошо разнесенные, не загораживающие друг друга компоненты способствуют попаданию припоя на каждый требуемый участок платы, но при этом снижается плотность монтажа. При высокой плотности монтажа с помощью данного метода практически невозможно пропаять поверхностно монтируемые компоненты с четырехсторонней разводкой выводов.
Пайка в парогазовой среде (ПГФ) с расплавлением дозированного припоя применима только к сборкам с поверхностным монтажом. Суть процесса: специальная жидкость нагревается до кипения, затем ее пары конденсируются на ПП, отдавая скрытую теплоту парообразования открытым участкам сборки. При этом припойная паста расплавляется и образуется паяное соединение между выводом компонента и контактной площадкой платы. Когда температура платы достигает температуры жидкости, процесс конденсации прекращается, тем самым заканчивается и нагрев пасты. Повышение температуры платы от ее начальной температуры до температуры расплавления припоя осуществляется очень быстро и не поддается регулированию. Поэтому необходим предварительный подогрев платы с компонентами для уменьшения термических напряжений в компонентах и местах их контактов с платой. Температура расплавления припоя также не регулируется и равна температуре кипения используемой при пайке жидкости. Такой жидкостью является инертный фторуглерод (например, FC-70).
В первых установках для пайки в ПГФ применялись две рабочих жидкости. С целью предотвращения утечки паров дорогого фторуглерода и припоя поверх основной технологической среды из инертного фторуглерода создавалась дополнительная технологическая среда из более дешевого фреона. Основной недостаток этих установок состоял в том, что на границе двух технологических сред происходило образование различных кислот и для защиты ПП требовались системы их нейтрализации. Затем стали выпускаться установки для пайки в ПГФ конвейерного типа, встраиваемые в технологические сборочно-монтажные линии. Такие установки имеют относительно небольшие входное и выходное отверстия, позволяющие реализовать систему с одной технологической средой.
Пайка инфракрасным нагревом (ИК-пайка) аналогична пайке в ПГФ, за исключением того, что нагрев платы с компонентами производится не парами жидкости, а ИК-излучением. Основным механизмом передачи тепла, используемым в установках пайки с ИК-нагревом, является излучение. В отличие от пайки в ПГФ, в процессе пайки с ИК-излучением скорость нагрева регулируется изменением мощности каждого излучателя и скорости движения транспортера с ПП. Поэтому термические напряжения в компонентах и платах могут быть снижены посредством постепенного нагрева сборок.
Инфракрасные печи применяются при изготовлении несложных плат. Обусловлено это тем, что инфракрасный тип нагрева имеет ряд отрицательных эффектов. Наиболее существенно влияют на работу следующие:
- количество энергии излучения, поглощаемой компонентами и платами, зависит от поглощающей способности материалов, из которых они изготовлены. Поэтому нагрев осуществляется неравномерно в пределах монтируемого устройства;
- высокие элементы могут закрывать более низкие, создавая «тень», где высока вероятность непропая;
- некоторые элементы корпусом могут закрывать свои собственные выводы (кристаллоносители без выводов или с J-образными выводами).
В некоторых установках для пайки с ИК-нагревом вместо ламп ИК-излучения применяются панельные излучающие системы. Излучение такой системы не нагревает непосредственно компоненты на сборке, а поглощается технологической средой (воздух или газ), которая в свою очередь передает тепло на ПП за счет конвекции. Этот способ пайки устраняет ряд недостатков, присущих пайке с ИК-нагревом, таких, как неравномерный прогрев отдельных частей сборки и невозможность пайки компонентов в корпусах, непрозрачных для ИК-излучения. Панельные излучатели обеспечивают намного меньшую скорость нагрева, чем традиционные источники ИК-излучения.
Конвекционная пайка лишена недостатков, связанных с теплопередачей излучением. Но управлять горячим воздухом труднее и технически сложнее. Конвекционная пайка реализуется в камерных или конвейерных печах. Камерные печи используются в лабораторных условиях, в единичном или мелкосерийном производстве. Конвейерные печи встраиваются в сборочные линии и используются, как правило, в крупносерийном производстве.
В камерных печах отработка профиля пайки осуществляется путем изменения температуры внутри камеры со временем, в конвейерных - перемещением платы по конвейеру через несколько зон печи (зоны нагрева и охлаждения). Как правило, максимальная температура, при которой происходит непосредственно оплавление пасты, составляет 210ч220°C. Плата находится в печи при максимальной температуре в течение всего нескольких секунд, после чего производится ее охлаждение.
В ряде случаев применяется пайка в инертной среде, при которой осуществляется впуск азота в рабочую область печи. Эта операция используется для сведения к минимуму окислительного процесса. Однако необходимо оценивать необходимость этой операции. В случае если процесс пайки длится небольшой промежуток времени, припой не успеет окислиться, так как в его состав входит флюс, обеспечивающий растворение окислов на поверхности частиц порошка припоя. Пайка в инертной среде потребует большого расхода азота, что повлечет за собой использование азотной станции с существенными дополнительными расходами. Использование азотной среды при конвекционной пайке оправдано только в условиях серийного производства при изготовлении сложных модулей, требующих высокого качества исполнения.