ТЕХНОЛОГИЯ ПАЙКИ ПОВЕРХНОСТНОГО МОНТАЖА

Современный этап развития РЭА характеризуется все более широким применением новейшей элементной базы - поверхностно монтируемых элементов: безвыводных "чиповых" резисторов и конденсаторов, миниатюрных корпусов БИС, пластмассовых и керамических кристаллоносителей и др., что позволяет отказаться от плат с металлизированными отверстиями, упростить установку элементов, повысить надежность электронных блоков. Технология поверхностного монтажа (SMT) получила официальное признание в 1985г. и имеет следующие преимущества:

1. конструктивные:

- повышение плотности компоновки элементов и функциональной мощности блоков в 4-6 раз;

- снижение массогабаритных показателей в 3-5 раз;

- повышение быстродействия и помехозащищенности блоков за счет отсутствия выводов компонентов;

- повышение виброустойчивости и вибропрочности блоков в 2 раза;

- повышение надежности блоков за счет уменьшения количества металлизированных отверстий, являющихся потенциальным источником дефектов;

2. технологические:

- автоматизация сборки и монтажа элементов и повышение производительности труда в десятки раз;

- исключение из технологического процесса операций подготовки выводов и соответствующего оборудования;

- сокращение производственных площадей на 50 %;

- уменьшение затрат на материалы.

К недостаткам следует отнести недостаточную номенклатуру поверхностно монтируемых элементов, затрудненность отвода тепла, сложность контроля и ремонта. В ряде случаев применяют смешанный монтаж поверхностно-монтируемых и выводных компонентов (рис.5.1).

Рис. 5.1. Микроблок со смешанным монтажом

Прогнозы показывают, что к 1995 г. до 70 % всех компонентов за рубежом будут монтироваться поверхностью, а к 2000 г. – до 90%.

Появление на коммутационных платах поверхностно монтируемых компонентов существенно изменило технологию групповой пайки. Для пайки плат со смешанным монтажом (компоненты, монтируемые в отверстия с одной стороны платы, и чиповые элементы) был разработан метод пайки двойной волной припоя (рис. 5.2). Первая волна выполнена турбулентной и узкой, она выходит из сопла под большим давлением Турбулентность и высокое давление припоя обеспечивает хорошее смачивание, исключает образование полостей с газообразными продуктами разложения флюса, но не исключает образования перемычек. Вторая, более пологая волна с малой скоростью истечения, устраняет перемычки припоя, а также завершает образование галтелей. Поэтому установки пайки двойной волной должны иметь отдельные нагнетатели припоя, сопла, блоки управления параметрами каждой волны. Кроме того, их дополнительно оснащают "воздушным" ножом для разрушения перемычек из припоя.

Рис. 5.2. Схема пайки двойной волной припоя

Недостатком данной схемы пайки являются значительные термические нагрузки на плату.

Фирма "Soltec" (Нидерланды) разработала конструкцию установки для пайки поверхностно монтируемых элементов с одной волной, в которой хорошие динамические характеристики при набегании ее фронта на участок пайки сочетаются со спокойным стеканием тыльной части волны.      

Недостатком данного метода является возможность повреждения поверхностно монтируемых ИМС при их погружении в припой, а также появление эффекта заменения при высокой плотности монтаже.

Перспективным методом является пайка поверхностно монтируемых элементов расплавлением дозированного припоя (Reflow Soldering), который наносится в виде заготовок или паяльной пасты. Во втором случае флюсование не требуется, т.к. паста имеет в составе флюс. Нагрев платы с пастой проводится в 3 этапа: сушка летучей связки, оплавление порошка припоя, растекание припоя по контактной площадке "чиповые" элементы, монтируемые на контактные площадки_? при установке приклеиваются к плате, при этом ориентируются по отношению к контактным площадкам платы. Используются следующие виды нагрева: контактным электросопротивлением, газом, фокусированным световым лучом, ИК-нагревом и в паровой фазе.

Пайка горячим газом нашла применение для присоединения '"чиповых" элементов к многослойным керамическим платам. Инертный газ (аргон, азот или их смесь) нагревается, проходя через электронагревательные элементы мощностью 0,8-1,0 кВт под давлением, создаваемым компрессором. Температура газа регулируется путем изменения его скорости и напряжения на электронагревательных элементах таким образом, чтобы его температура превышала на 150 точку плавления припоя. Струя газа вырывается из сопла диаметром 2,5 мм, что позволяет локализовать нагрев паяемых мест. Отсутствие контакта с источником тепла обеспечивает высокое качество паяных соединений.

Недостатком пайки горячим газом является сравнительно медленная передача тепла за счет конвекции, что значительно увеличивает время пайки.

Технологию пайки в паровой фазе (конденсационную пайку) предложила в 1973 г. фирма Du Pont (США), после того как были запатентованы специальные рабочие жидкости. Преимуществами данного метода является равномерный нагрев электронной сборки до постоянной во времени температуры пайки в анаэробной инертной среде с применением слабоактивированных флюсов, что позволяет получить однородные паяные соединения и исключить образование перемычек из припоя.

Необходимые для пайки припой и флюс наносятся на изделие в форме припойной пасты перед его погружением в пар. По мере погружения изделия в зону насыщенного пара над кипящей рабочей жидкостью пар конденсируется на всей поверхности изделия, быстро и равномерно нагревая его до температуры пайки. При этом припойная паста расплавляется и образует галтель между выводом компонента и контактной площадкой платы. Когда температура' платы достигнет температуры жидкости, процесс конденсации прекращается, тем самым заканчивается и нагрев платы.

Повышение температуры платы от её начального значения до температуры расплавления припоя осуществляется в короткий промежуток времени (до 10 с) и не поддается регулированию. Для уменьшения термических напряжений в компонентах вводят предварительный подогрев платы.

Основной частью установки для пайки в паровой фазе является резервуар со слоем рабочей жидкости 1 на дне (рис. 5.3). Пар 2 образуется за счет нагрева до кипения с помощью либо внешних, либо встроенных нагревателей 6. Для предотвращения утечки пара в верхней части резервуара расположены змеевики 3. По мере прохождения смонтированной платы 4 над кипящей жидкостью пар конденсируется над всей ее поверхностью, быстро и равномерно прогревая до температуры пайки, в качестве жидких теплоносителей используются перфорируемые инертные жидкости с температурой кипения несколько выше температуры плавления оловянно-свинцового припоя, например, наиболее распространенный теплоноситель Fluoronert Liquid 0-70 имеет температуру кипения 215˚.

Недостатками процесса являются: длительность процесса пайки (40-50 с), высокая стоимость жидкого теплоносителя, потери рабочей жидкости в атмосферу, образование различных кислот на границе раздела жидкостей.

В установках конвейерного типа IL-6 - IL-24 фирмы НТС Product (США) имеется транспортер для ввода изделия в камеру, дополнительные холодильники, вакуумные шлюзы, что исключает применение дополнительной защитной жидкости (рис. 5.4).

Рис. 5.4. Конвейерная установка парофазной пайки: 1– нагреватель; 2 – контур охлаждения; 3 – смотровое окно; 4 – фильтр; 5 – высокотемпературный насос; 6 – сепаратор; 7 – сборник флюса; 8 – система контроля (температура и уровень пара, количество изделий ); 9 – лента конвейера; 10 – плата

Недостатком парофазной пайки является ее критичность к использованию канифольных флюсов, остатки которых нерастворимы в рабочей жидкости и, попадая на нагреватель, снижают его теплоотдачу. При повышении плотности мощности более 10 Вт/см² происходит локальный перегрев рабочей жидкости и ее разложение с выделением высокотоксичного газа перфторизобидена, что может привести к отравлению персонала.

Для автоматизированной установки поверхностно монтируемых компонентов и их пайки выпущена линия "ТЕМП-4000", которая включает модуль трафареткой печати для нанесения лудящих паст, модуль установки компонентов и установку пайки. Номенклатура устанавливаемых компонентов: резисторы P1-11 (МЭЛФ), Р1-12 (чип), конденсаторы К10-17, транзисторы в корпусах КТ-27, КТ-28, КТ-46, КТ-47, интегральные микросхемы в корпусах 2, 4, Н, Ф. Рабочие температуры жидкостей - теплоносителей: 180±5, 235±5°С. Производительность установки пайки составляет до 30 сборок/ч. Установка работает без использования защитной жидкости - хладона 113. Мощность, потребляемая установкой – 1,6 кВт.