Технология SMARTHEAT фирмы METCAL
Нагревательный элемент состоит из двух основных частей — источника тока и термоэлемента. Радикальная разность между этим и стандартным нагревательными элементами — то, что сам термоэлемент определяет и сохраняет жестко заданную заранее температуру.
Температура элементов фирмы Metcal зависит от электрических и металлических характеристик двух различных металлов, одним из которых является материал с высоким тепловым сопротивлением и удельной электропроводностью, другой — магнитный материал с относительно высоким сопротивлением.
https://www.youtube.com/watch?v=ytaboutru
Когда через элемент пропускается переменный ток низкой частоты, он, естественно, будет течь через все проводящее сечение. Однако увеличение частоты до 13,5 МГц приводит к росту тока во внешнем (магнитном) нагревателе. Это явление протекания тока высокой частоты через магнитный слой с высоким сопротивлением, известное как «скин-эффект», способствует быстрому нагреву.
Как только наружный слой достигает заданной температуры (предопределенной материалом ее элементов), происходит другое явление — магнитные характеристики слоя ухудшаются. Эта температура названа точкой Кюри магнитного материала. В момент ее достижения магнитное сопротивление проводящего сердечника уменьшается, что приводит к снижению нагрева.
Существуют области применения паяльного оборудования, где необходима точность установки температуры до 1°C и ее компьютерный контроль. Но большинство задач не требуют использования высокоточного инструмента. Основной критерий для них— температурная стабильность жала паяльника. Для подобных задач применение элементов фирмы Metcal является идеальным решением.
Обратимся к фирме XYTRONIC. Она более 20 лет выпускает паяльное оборудование для производства и ремонта изделий электронной техники. Штаб-квартира XYTRONIC INDUSTRIES, LTD. находится на Tайване — в стране, являющейся ведущим поставщиком паяльных станций.
XYTRONIC предлагает продукцию широкого спектра: от профессиональных паяльников и паяльных станций до систем для демонтажа. Выпускаемые паяльники имеют мощность от 60 до 150 Вт и регулируемый диапазон температур (150–450°С). Они находят применение во всех сборочных операциях. Станции могут иметь аналоговые или цифровые системы задания температуры.
Сегодня изделия фирмы XYTRONIC экспортируются во многие страны. Приблизительно 50 % продукции продается под эмблемой XYTRONIC. 90 % изделий экспортируется в США, Канаду, Австралию, Японию и Западную Европу. В настоящее время компания поставляет паяльное оборудование корпорации Philips N.V. Список клиентов XYTRONIC включает также IBM, Logitech, Taiwan Delta, General Instruments, Digital Equipment Corp., Siemens, Hewlett Packard, что говорит о качестве паяльной станции.
В 1980 году фирма запатентовала оригинальный метод электронного управления температурой паяльника. Метод гарантировал высокое качество и надежность пайки.
Подобный паяльник идеально подходит для служб ремонта и обслуживания электронной техники, а также для производства, где используется ручная сборка электронных устройств.
Рассмотрим паяльную станцию 137 ESD (рис. 1).
Рис. 1
https://www.youtube.com/watch?v=https:accounts.google.comServiceLogin
Станция имеет 60-ваттный паяльник 107ESD с металлокерамическим нагревательным элементом, управляемый электронным блоком.
Схема управления использует P.Т.С. сенсор, находящийся на конце нагревательного элемента. Температурный сенсор немедленно реагирует на изменение температуры и обеспечивает дополнительный нагрев жала при снижении его температуры во время интенсивного отвода тепла при быстрой пайке большого количества контактных площадок или массивных деталей.Система отличается отсутствием перерегулирования и гарантирует высокую скорость нагрева и хорошую стабильность температуры нагревательного элемента.
Пальник 107ESD выполнен с учетом всех современных требований и весит всего 190 граммов (рис. 2).
Рис. 2
Нагревательный элемент располагается в наконечнике паяльника, что обеспечивает максимальную теплопередачу. Кроме того, поскольку элемент расположен на достаточном расстоянии от рукоятки, не происходит перегрева рукоятки паяльника. Последняя имеет резиновое кольцо, предохраняющее пальцы от соскальзывания во время работы. Нагрев жала до температуры 250°С осуществляется за 30 секунд.
Нагревательный элемент изготовлен японской фирмой HAKKO и имеет высокую надежность и долговечность в сравнении со стандартными нихромовыми проволочными нагревателями (рис. 3). Диапазон регулирования температуры паяльника от 200 до 450 градусов.
Рис. 3
Достаточен ли такой диапазон регулирования? Для ответа на этот вопрос вспомним, что у припоя марки Sn63Pb37 плавление начинается при температуре 180°С (рис 4). Остальные марки характеризуются еще более высокой точкой плавления.
Рис. 4
Следовательно, жало с температурой 200°С соответствует припоям марки Sn*/Pb*. Конечно, существуют и низкотемпературные припои, но употребление их крайне ограничено. В основном при производстве электронных устройств используется припой марок Sn63/Pb37 и Sn60/Pb40.
Наконечники для станций XYTRONIC выполнены из гальванической меди, покрытой слоями железа и хрома, рабочая часть их облужена оловом (рис. 5).
Рис. 5
Спектр предлагаемых наконечников весьма разнообразен — от конических диаметром 0,4 мм до жал специальной формы «МИНИ–ВОЛНА» для монтажа PQF-элементов.
Технология пайки микросхем жалом «МИНИ–ВОЛНА» неоднократно описывалась. Но существуют несколько моментов. Для достижения хороших результатов не рекомендуется использовать припои, содержащие канифоль. Большое значение при пайке имеет также угол наклона жала — оптимальный результат достигается только после определенной тренировки.
Европейские производители начинают использовать новые методы нанесения паст: Optipad, Sipad, Precision Pad Technology (PPT). Все они заключаются в изменении технологического процесса изготовления печатных плат. Естественно, что хорошо отлаженный за многие годы техпроцесс изготовления станет дороже, но это не окажет влияния на стоимость готового изделия: процесс сборки сократится на несколько этапов, связанных с нанесением пасты.
Технология Optipad подразумевает использование светочувствительной маски, играющей роль трафарета. На плату наносятся маски разных типов: основная маска — кислотостойкая, трафаретная маска — стойкая к воздействию щелочей, или наоборот. Трафаретная маска наносится поверх паяльной маски платы. Поскольку апертуры в этом случае формируются фотолитографическими методами, точность гораздо выше традиционной технологии трафаретной печати.
Технология Sipad подразумевает использование самой паяльной маски в качестве трафарета. Толщина припоя, как и в предыдущем случае, определяется толщиной паяльной маски. Паяльная паста, как и в традиционной технологии, наносится через паяльную маску и оплавляется. Казалось бы, в этом случае можно не оплавлять пасту и устанавливать компоненты прямо на нее (как в традиционной технологии), однако рельеф печатной платы таков, что в полостях паяльной маски останутся излишки припойной пасты, которые при оплавлении могут образовать закоротки на выводах компонентов. Поэтому конечным этапом технологии Sipad является отмывка паяльной маски.
Рис. 2. Технология изготовления печатных плат Sipad
Рис. 3. Технология изготовления печатных плат PPT
Технология PPT также подразумевает использование паяльной маски платы в качестве трафарета, но с помощью дополнительного внешнего трафарета (толщина паяльной маски должна быть больше толщины контактных площадок). На готовую печатную плату устанавливается трафарет небольшой толщины. Через него в апертуры паяльной маски наносится и оплавляется паста.
Такой подход позволяет увеличить толщину припоя по сравнению с толщиной паяльной маски. Многие справедливо заметят: а в чем отличие от традиционной методики? А отличие заключается в существенном повышении точности — внешний трафарет предназначен лишь для «загонки» основного количества паяльной пасты в апертуры маски.
Может возникнуть резонный вопрос: если паста оплавляется до процесса сборки печатной платы, как быть с удерживающими силами? Ведь компонент во время транспортировки платы упадет с контактной площадки. Достаточную силу для удержания компонента дает флюсование контактов печатной платы. Кроме того, можно воспользоваться адгезивами, но для этого понадобится, по меньшей мере, ручной диспенсер.
Введение
На сегодняшний день наибольшее распространение получили две техники нанесения припойных паст: трафаретная печать и диспенсерное (метод дозирования) нанесение. Первая более подходит серийному и массовому производству, вторая — прототипному и мелкосерийному. Такое разделение обусловлено производительностью соответствующей технологии и стоимостью оборудования.
Естественно, что трафаретная печать дает более точные результаты, но и она с трудом справляется с шагом контактных площадок 0,4 мм, что уже не редкость. Кроме того, изготовление качественного трафарета — процедура, требующая специального оборудования и дополнительных затрат (стоимость изготовления металлического трафарета методом лазерного гравирования превышает $400).
Учитывая темпы развития электронных компонентов и постоянную тенденцию к миниатюризации, можно с уверенностью говорить, что и без того дорогие технологические процессы сборки будут постоянно расти в цене, поэтому можно внести соответствующие корректировки в технологию изготовления печатных плат.
Рис. 1. Технология изготовления печатных плат Optipad
Демонтаж микросхем
Современные паяльные станции не только увеличили производительность труда при сборке, но превратились также и в незаменимый инструмент для ремонтника, одной из основных операций которого является демонтаж элементов.
Существуют два способа демонтажа SMD компонентов — контактный и конвекционный. Оба доказали свою состоятельность и право на жизнь.
Основным на сегодняшний день является контактный способ, предлагаемый фирмами METCAL, PACE, WELLER, ERSA, HAKKO и XYTRONIC.
Технология этого способа заключается в том, что для отпайки используются насадки, повторяющие конфигурацию корпуса микросхемы. Наибольшее количество различных насадок к паяльнику предлагают фирмы PACE и METCAL.
Для каждого типоразмера применяются индивидуальные насадки, учитывающие форму выводов элементов (рис. 6).
Рис. 6
Насадка используется только как теплоноситель, для отпайки же используется расплавленный припой. Количество припоя на насадке и его теплоемкость выше, чем у припоя, находящегося на контактных площадках электронного компонента, благодаря чему и демонтируется микросхема. Выводы микросхемы касаются расплавленного припоя на насадке, и моментально припой, находящийся на контактах микросхемы, расплавляется и смешивается с насадочным.
Припой можно наносить не на насадку, а предварительно залить им выводы микросхемы или нанести на них паяльную пасту. XYTRONIC предлагает таким способом демонтировать микросхемы, имеющие корпуса типа SOP, SOIC, PLCC, QFP, а также CHIP-компоненты и микросхемы в корпусе DIP (рис. 7).
Рис. 7
В последнем случае используются насадки, имеющие специальные канавки для заполнения их припоем. Насадка устанавливается на выводы микросхемы с обратной стороны платы. Припой в отверстиях расплавляется, и микросхему можно поднять пинцетом. Процесс занимает 15 секунд. Очистить выводы микросхемы и контактные площадки можно с помощью плетенки и паяльника с широким наконечником.
Установка насадок для отпайки SMD осуществляется при помощи адаптера с резьбовым соединением. Все насадки устанавливаются на адаптер. Перед демонтажом обязательно производить предварительное флюсование микросхем, чтобы снять оксидную пленку с контактов.
Описанные насадки для демонтажа микросхем к паяльнику 137ESD позволяют вам обойтись без использования дополнительных дорогостоящих термоинструментов, которые повлекут покупку паяльной станции, стоимостью в 2–3 раза дороже. Типы демонтируемых микросхем зависят только от мощности паяльника, так как каждый дополнительный квадратный сантиметр площади микросхемы приводит к уменьшению температуры на 10°С.
https://www.youtube.com/watch?v=http:3VIInIuTW48
Поэтому фирма PACE рекомендует вводить прекомпенсацию потерь на наконечнике до 60°С! При демонтаже микросхем этот фактор нужно учитывать.Паяльные станции разных фирм используют одинаковую технологию демонтажа. Отличие состоит лишь в способе управления температурой наконечника паяльника и в точности установки температуры. Погрешности последней могут быть скомпенсированы использованием внешнего температурного калибратора.
Паяльная станция 137ESD XYTRONIC при низкой стоимости (всего 125 $) функционально не уступает дорогостоящим аналогам, позволяя решить большинство проблем с монтажом и демонтажом SDM-микросхем. Большой выбор дополнительных наконечников значительно расширяет ее функциональные возможности.
Ну а конечный выбор фирмы-изготовителя паяльной станции всегда остается за покупателем. Автор же при подготовке настоящей статьи преследовал цель объяснить читателям, что в настоящее время паяльные станции тайваньского производства на равных конкурируют с продукцией лидеров этого рынка.
Заключения
Описанные в данной статье технологии нанесения припойных паст позволяют избавиться от дорогостоящего оборудования и сократить количество операций в сборочном процессе, а следовательно, увеличить его производительность. Незначительно возрастающая стоимость изготовления печатной платы компенсируется выигрышем в стоимости сборочного процесса.
Несомненно, что описанные методы хорошо адаптируются на предприятиях, где присутствует изготовление печатных плат и сборочно-монтажное производство. Для изготовителей печатных плат эти методы могут явиться альтернативой дорогостоящего HAL-процесса (облуживание с выравниванием горячими воздушными ножами).
1. Нанесение паяльной пасты, клея
Применяются два основных способа нанесения. Метод дозирования с применением пневматических дозаторов хорош тем, что он не привязан к трафарету, и оператор может работать с любой платой. Таким дозатором удобно пользоваться при большом количестве различных типов плат или на опытном участке, где при разработке плата меняется несколько раз.Слабая сторона этого метода в его низкой производительности, которая определяется мастерством оператора.
Второй метод — трафаретной печати, через сетчатый или металлический трафарет. Для этого применяются устройства трафаретной печати. Наиболее интересным является модельный ряд швейцарской фирмы ESSEMTEC. Вот эти модели.
Модели при своей низкой цене имеют большую рабочую площадь, высокие технические характеристики и большой набор дополнительных принадлежностей, которые позволяют существенно модернизировать устройство трафаретной печати.
2. Установка компонентов
Самыми простыми и недорогими устройствами для установки поверхностно монтируемых компонентов являются ручные манипуляторы, которые обычно состоят из следующих узлов.
- Базовое устройство с пантографом.
- Головка с автоматическим вакуумным захватом.
- Встроенная вакуумная помпа или внешний компрессор.
- Набор вакуумных наконечников.
- Карусельный питатель для подачи компонентов из россыпи.
Как дополнительное оборудование предлагаются питатели из ленты, из пенала, дозаторы паяльной пасты, системы пайки горячим воздухом, системы визуального контроля.
Производительность такого оборудования существенно зависит от мастерства оператора. В среднем эта цифра колеблется от 200 до 600 компонентов в час.
При изготовлении оборудования такого уровня производители практически не отличаются один от другого, и все марки очень похожи. В России наиболее известны такие фирмы, как ESSEMTEC, FRITSCH, DIMA. При одинаковом качестве наиболее выгодная цена у швейцарской фирмы ESSEMTEC.
3. Оплавление
После нанесения паяльной пасты и установки элементов следует этап оплавления. Для этого используют печи, которые отличаются количеством зон нагрева и методом подогрева — инфракрасным, конвекционным, смешанным.
Инфракрасные печи имеют низкую цену и применяются при изготовлении несложных плат. Обусловлено это тем, что инфракрасный тип нагрева имеет целый ряд отрицательных эффектов. Наиболее существенно влияют на работу следующие:
- Теневой эффект. Высокие элементы могут закрывать более низкие, создавая так называемую «тень», то есть зону, где высока вероятность непропая. Также некоторые элементы могут закрывать свои собственные выводы.
- Существенное влияние на процесс пайки оказывает отражающая способность корпуса элемента.
- Нестабильность распределения температуры внутри отдельных зон.
Всех этих отрицательных моментов лишены печи с конвекционным методом нагрева. Горячий воздух распределяется внутри рабочего объема печи таким образом, что в каждой точке создаются одинаковые условия пайки, одинаковая температура. Зависимость от отражающих качеств элемента отсутствует.
Но управлять горячим воздухом труднее и выполнять это технически также сложнее. Поэтому конвекционные печи имеют цену значительно выше.Из инфракрасных наиболее распространенными являются печи швейцарской фирмы ESSEMTEC. Это RO 180, RO 260, RO 400.
Из конвекционных печей более всего российскому потребителю известна продукция английской фирмы Reddish Electronics. Это модели: SM-500 — камерная конвекционная печь, SM-1500, SM-1500, SM-3000 конвейерные конвекционные печи.
Наиболее простым и недорогим набором оборудование для оснащения производственного участка поверхностного монтажа является:
- ручное устройство трафаретной печати;
- один или несколько ручных или полуавтоматических манипуляторов для установки компонентов;
- печь оплавления припоя.
Стоимость такого набора оборудования начинается от 15 000 USD.
Обращаю внимание читателей, что приводимый перечень оборудования далеко не полный, но в некоторых случаях вполне достаточный для начала переоснащения производства или для создания нового участка.
Полноценное же производство включает в себя следующие этапы:
- входной контроль плат, компонентов, материалов;
- подготовка компонентов, материалов;
- нанесение клея/паяльной пасты;
- установка компонентов;
- отверждение клея;
- оплавление припоя с помощью печей или в машинах пайки волной;
- отмывка;
- выходной контроль;
- ремонт;
- влагозащита;
- упаковка.
https://www.youtube.com/watch?v=ytpressru
Также оборудование сертифицированного производственного участка, соответствующего современным стандартам (ISO 9000), подразумевает целый ряд мероприятий по оборудованию производственных помещений системой антистатики, вентиляции, дымоулавли- вания и т. д.)