Пайка плат волной припоя, при помощи робота и в домашних условиях паяльником

Пайка параллельными электродами

Этот
способ пайки является фактически
разновидностью одностороннего контактного
нагрева и основан на прямом нагреве
места соединения электрическим током,
который подводится через электроды
(как показано на рисунке) термокарандаша
или специального микропаяльника .

1.
корпус интегральной схемы;

2.
вывод интегральной схемы;

3.
контактная площадка;

4.
диэлектрическое основание печатной
платы;

5.
электроды;

6.
трансформатор;

7.
блок питания.

Рис
2.4. Схема
пайки параллельными электродами.

Джоулево
тепло, достаточное для расплавленная
припоя, выделяется в паяемых деталях
(выводе изделий и контактной площадке)
на участке межэлектродного зазора. При
этом, припой вводится заранее в соединение.
Электроды перемещаются в вертикальной
плоскости независимо друг от друга и
прижимаются к выводам усилием Р.

Дисперсный метод нанесения припоя.

В процессе серийного производства электронных приборов, крепление компонентов на печатных платах осуществляется на конвейерных линиях заводов. При этом применяется пайка волной припоя.

Суть этой технологии, появившейся в 50–х годах прошлого века, заключается в следующем.

Печатные платы с установленными на них электронными компонентами движутся по специальному конвейеру. В процессе движения, места пайки покрываются флюсом, плата предварительно прогревается, после чего проходит над ванной с расплавленным припоем.

Ванна оборудована специальными соплами, создающими волну, возвышающуюся над поверхностью припоя в ванне.

Плата расположена таким образом, что места пайки контактируют с поверхностью волны при перемещении платы вдоль ванны. В этот момент происходит смачивание припоем контактных площадок на плате и выводов припаиваемых деталей.

Сила поверхностного натяжения жидкого припоя не даёт ему стечь полностью с поверхности платы, что обеспечивает спаивание деталей с контактными площадками.

Пайка в парогазовой среде.

Этот
вид пайки основан на использовании для
нагрева паяльных соединений скрытой
теплоты конденсации паров инертной
термостойкой жидкости. Для пайки в
парогазовой среде созданы и используются
специальные жидкости, имеющие температуру
кипения чуть выше температуры плавления
припоя, практически, не разлагающиеся
при температуре плавления припоя и не
изменяющие свой состав при испарении.

Пайка
оплавлением дозированного припоя
применима только к микросборкам с
поверхностным монтажом. Она значительно
отличается от ранее описанных способов.
Процесс начинается с нанесения способом
трафаретной печати припойной пасты на
контактные площадки коммутационной
платы. Затем на поверхность платы
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. После
этого плата разогревается до температуры
расплавления припойной пасты. В результате
образуется паяное соединение между
контактной площадкой платы и выводом
компонента.

Способ
пайки в ПГС
является
разновидностью пайки оплавлением
дозированного припоя, в ходе которой
пары специальной жидкости конденсируются
на коммутационной плате, отдавая скрытую
теплоту парообразования открытым
участкам микросборки. При этом припойная
паста расплавляется и образует галтель
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 (например,
окружающей среды перед пайкой) до
температуры расплавления припоя,
осуществляется очень быстро и не
поддается регулированию.

Рис.
2.5.
а) Схематическое представление пайки
ОДП в ПГС с двумя технологическими
средами. б) Теппературно-временной режим
для пайки ОДП в ПГС.

Существуют
два типа установок для пайки ОДП в ПГС:
с применением одной либо двух рабочих
жидкостей. В первых установках для пайки
в ПГС применялись две рабочих жидкости
(рис 2.4), при этом использовались обычно
несколько установок пайки в составе
производственной линии. С целью
предотвращения утечки паров дорогого
фторуглерода и припоя поверх основной
технологической среды из инертного
фторуглерода создавалась дополнительная
технологическая среда из более дешевого
фреона.

Рис.
2.6.
Схематическое представление пайки ОДП
в ПГС с использованием одной технологической
среды.

Установки
для пайки с двумя рабочими жидкостями
оказались непригодны для линии сборки
электронной аппаратуры. Поэтому стали
выпускать установки для пайки ОДП в
ПГС, встраиваемые в технологические
сборочно-монтажные линии. Такие установки
имеют относительно небольшие входное
и выходное отверстия, позволяющие
реализовать систему с одной технологической
средой (рис. 2.6). Приведенная на
рис. 2.6
конструкция обеспечивает возможность
включения установки в состав технологической
линии.

Настройка технологических параметров

Для получения качественных паяных соединений, необходима настройка технологических параметров паяльной линии. Во-первых, формой и ориентацией сопла формируется гребень волны оптимального профиля, во-вторых, движущаяся над ванной плата располагается под некоторым углом к поверхности расплава.

Правильно выбранные параметры процесса позволяют избежать брака в виде перемычек между токоведущими дорожками и наплывов (сосулек) на выводах деталей.

Для этой же цели может использоваться технология пайки двойной волной. В этом случае, первая волна припоя имеет турбулентный характер, что позволяет лучше смачивать паяемую поверхность и проникать припою в монтажные отверстия платы.

Вторая волна, имеющая более плавное ламинарное течение, смывает огрехи в виде лишних капель и наплывов припоя, формируя при этом окончательную геометрию гантелей.

Пайка волной не всегда автоматизирована. Например, на многих сборочных конвейерах Китая и других стран Азии, установка деталей на плату, последующая обработка флюсом и обмакивание платы в ванну с припоем выполняют люди.

При этом плата берётся руками посредством специального захвата и обмакивается в ванну жидкого припоя.

Крепление smd компонентов

Способ пайки волной чаще применяется для плат, компоненты которых монтируются с одной стороны платы, а контактные площадки и токоведущие дорожки – с другой.

Штыревые выводы элементов вставляются при этом в сквозные отверстия платы и припаиваются с обратной её стороны. Однако большинство современных электронных схем конструируется под использование так называемых smd-компонентов, закрепляемых поверхностной пайкой. Такие детали припаиваются к плате с той же стороны, на которой они установлены.

Применение волновой технологии пайки для таких элементов имеет ряд особенностей:

• при пайке волной smd-компонентов плата должна быть ориентирована вниз предварительно приклеенными к ней деталями;
• волна расплавленного припоя омывает при этом корпуса деталей.

Таким образом, smd-компоненты перед пайкой должны быть приклеены к плате специальным клеем. При этом иногда имеют место случаи отклеивания деталей во время их контакта с волной расплава, что приводит к появлению брака.

Кроме этого, не все электронные компоненты способны выдержать температурный режим, возникающий в процессе «купания» в жидком припое. Эти обстоятельства ограничивают применение волновой технологии.

Следует добавить ещё одну отрицательную черту, присущую этой технологии пайки. Большое количество расплавленного припоя в ванне, постоянно контактирующее с открытым воздухом, приводит к активному образованию окисла.

Сборка и монтаж элементов на печатные платы.

ячейки
ДКП.

Нанесение паяльной пасты –{amp}gt;установкакомпонентов
–{amp}gt; оплавление -{amp}gt; очистка платы

1. Нанесение припойной пасты.

Диспенсорное нанесение/трафаретная
печать.

8Диспенсорный – наносится диспенсером
на контактные площадки по очереди.

Виды брака:

• Неточная дозировка

• Разное количество пасты – эффект
  опрокидывания

Трафаретная печать — продавливание
пасты через трафарет. Схоже с сеткографией.

Ракелем через трафарет продавливаем
пасту.

Виды трафаретов по изготовлению.

• Химическое травление. Травление
  трафаретов применимо для узлов широкого
  потребления и продукции неответственного
  назначения.

• Хим-аддитивный. Гальванопластика
  применяется для узлов широкого
  потребления, но при этом качество и
  точность нанесения ниже, чем у трафаретов,
  полученных химическим травлением.

• Лазерная резка. Лазерное вырезание
  трафаретов применимо для всех электронных
  блоков. По качеству и точности эти
  трафареты превосходят первые два
  способа.

Брак нанесения пасты:

• При ручной трафаретной печати –
  неравномерное нанесение пасты, смазывание
  пасты при отрыве трафарета от печатной
  платы, неполное заполнение апертур
  трафарета из-за загрязнения кромки
  ракеля.

• При автоматической трафаретной печати
  – погрешность в настройке оборудования
  (неверный подбор зазора между ракелем
  и трафаретом, неправильно подобранная
  скорость движения ракеля)

Дефекты при нанесении (6 основных видов):

• Дефект совмещения трафарета и монтажной
  платы;

• Просадка пасты (возникает, если
  неправильно подобрана вязкость припойной
  пасты);

• Неравномерность толщины нанесённой
  пасты;

• Вычеркивание паты их апертур трафарета
  (из-за чрезмерной силы прижатия ракеля
  к трафарету);

• Излишки пасты;

• Наклон нанесённой пасты по отношению
  к монтажной плате.

Диспенсорный метод нанесения пасты
применим на участках прототипной и
мелкосерийной сборки плат из-за низкой
производительности.

Трафаретная печать применима на
крупносерийных и массовых участках
из-за огромной производительности и
высокой точности нанесения.

Применение паяльной пасты

Для крепления smd-компонентов на плате обычно применяются другие технологии пайки. Как правило, все они основаны на использовании паяльной пасты. В этот состав входит порошкообразный припой, флюс и наполнитель.

Паяльная паста наносится на контактные площадки платы и выводы установленных на них деталей.

После этого плата направляется в специальную печь, где производится нагрев соединений одним из способов:

• парогазовой смесью;
• источниками инфракрасного излучения;
• способом конвекции.

В процессе нагрева происходит плавление паяльной пасты и спайка контактов.

Выбор флюса.

Паяльные
флюсы — это вещества как органического
так и неорганического происхождения,
с неметаллической связью, которые
предназначены для удаления окисной
пленки с поверхности паяемых изделий.

·
некоррозионногенные;

·
слабокоррозионногенные;

·
коррозионногенные.

Пайку
и монтаж радиоэлектронной аппаратуры
выполняем с применением только флюсов,
остатки которых негигроскопичны, не
электропроводны и не вызывают коррозий.

Дадим
краткую характеристику наиболее
распространенным флюсам.

Характеристики
флюсов. Таблица 2.1.

Марка 1	Состав 2	Область применения 3
КСП	Сосновая канифоль 60-90% , спирт 10-40%.	Пайка и лужение деталей и проводников в изделии специального назначения.
ФКТ	Сосновая канифоль 10-40% , спирт 89-59%, тетрабром остальное.	Пайка и лужение контактных соединений и поверхностей в изделии специального назначения.
ЛТИ120	Сосновая канифоль 15-30%, спирт 76-68% деэтиламин остальное.	Пайка и лужение деталей и проводников в изделиях широкого применения.
ФДГ	Деэтиламин 4-6% глицерин остальное.	Групповая пайка деталей, оплавление после гальванического лужения.
ФЦА	Хлористый цинк 45%, хлористый аммоний 9%, вода остальное.	Предварительное лужение поверхностей при условии полного удаления флюса.

Принимая
во внимание простоту изготовления и
то, что изделие является специальным,
выбираем флюс КСП.

Автоматизированные технологии

В ситуациях, когда электронные компоненты имеют выводы с очень малым шагом, при пайке разъёмов, имеющих большое количество выводов, и в других случаях, требующих использования очень тонких технологий, обычно применяется паяльный робот.

Робот-манипулятор для пайки плат представляет собой прецизионное устройство, содержащее координатный стол, на который устанавливается плата с размещёнными на ней деталями и паяльной головки, перемещающейся по трём координатным осям.

Головка оборудована механизмом подачи припоя и устройством для вакуумного отсоса его излишков.

Кроме собственно пайки, роботы часто используются для установки деталей на плате непосредственно перед их спайкой. Отдельные элементы, установка которых в силу их сложной нестандартной формы (трансформаторы, дроссели, некоторые виды микросхем) плохо поддаются автоматизации, устанавливаются вручную.

Поэтому, даже на крупных сборочных конвейерах известных фирм, выпускающих электронное оборудование, присутствуют участки, на которых сборку осуществляют люди.

Кроме этого, контроль качества продукции также часто выполняется людьми. Платы с дефектами, которые могут быть устранены, направляются на доработку, выполняемую паяльником вручную.

Характеристики припоев. Таблица 2.2.

Марка припоя.	Состав %.	Тпл , оС	Применение.
ПОС-18	Олово 17-18 %, сурьма 2-2.5 %, свинец остальное.	277	Пайка деталей неответственного назначения.
ПОС-ЗО	Олово 29-30 %, сурьма 1.5-2 %, свинец остальное.	156	Лужение и пайка радиоприборов из меди и её сплавов , пайка токопроводящих деталей.
ПОС-40	Олово 39-40 %, сурьма 1.5-2 %, свинец остальное.	235	Лужение и пайка монтажных проводов , наконечников , кабелей и лепестков.
ПОС-61	Олово 59-61 %, сурьма 0.8 %, свинец остальное.	190	Пайка деталей не допускающих высокого нагрева в зоне пайки , ответственная электромонтажная пайка.

Работа в домашних условиях

При сборке самодельных электронных устройств, радиолюбители самостоятельно изготавливают печатные платы. При наличии желания и элементарной подготовки, этому не сложно научиться.

Изготовить печатную плату можно, используя имеющиеся рисунки дорожек на плате, более подготовленные могут самостоятельно сделать эскиз платы, имея принципиальную электрическую схему устройства. Для изготовления печатной платы берётся лист фольгированного изоляционного материала.

Это может быть гетинакс или стеклотекстолит, покрытый тонким слоем меди с одной или двух сторон, в зависимости от того, какая требуется плата – односторонняя или двухсторонняя.

На бумаге чертится эскиз рисунка токопроводящих дорожек, затем он переносится на поверхность медного слоя, в нужных местах просверливаются сквозные отверстия для установки деталей, а рисунок покрывается слоем краски или лака.

После высыхания покрытия выполняется травление платы, то есть, погружение её на некоторое время в один из составов, разъедающий слой меди, не покрытый краской. Обычно для этих целей используется либо хлорное железо, либо раствор кислоты, либо смесь медного купороса с поваренной солью.

После вытравливания меди, лак или краска смывается растворителем, полученный рисунок лудится обычным паяльником, после чего можно приступать к установке деталей и припаиванию их к плате.

Перед лужением, дорожки следует тщательно обезжирить и зачистить мелкой наждачной бумагой. Выводы деталей перед установкой также нужно зачистить, можно также залудить, это облегчит последующий процесс пайки.

Пайка производится хорошо разогретым паяльником, на жале которого должна оставаться капля припоя. Если расплавленный паяльником припой не удерживается на жале, скорее всего, паяльник перегрет.

Для контроля его температуры лучше пользоваться регулятором напряжения или паяльной станцией. Контакт паяльника с деталью должен быть коротким. После смачивания припоем вывода детали и площадки на плате, паяльник сразу убирается.

Это исключит возможность выхода детали из строя в результате перегрева и обеспечит ровное и красивое растекание капли припоя.

Для пайки плат и электронных компонентов следует выбирать мягкие сорта припоев на основе олова. Требуемую прочность пайки в этом случае обеспечит самый мягкий припой, при этом, его применение облегчит работу и уменьшит тепловую нагрузку на детали.

Поскольку выводы электронных компонентов обычно уже залужены, а дорожки платы выполнены из меди, в качестве флюса можно использовать только канифоль, или её спиртовой раствор.

Выбор очистительных жидкостей

Очистные
жидкости предназначены для отмывки
изделий от флюса после пайки. При выборе
очистной жидкости следует учитывать
состав остатков, ее растворяющую
способность, рабочую температуру, время
и условия отмывки, влияние на элементы
конструкции, токсичность и пожароопасность.
Водорастворимые флюсы отмывают в
проточной горячей (60..

800 С) и холодной
воде с помощью мягких щеток. Канифольные
флюсы в процессе индивидуальной пайки
промывают этиловым (изопропиловым)
спиртом; при групповой пайке применяют
ультразвуковую очистку или очистку
щетками в спирто-бензиновой смеси (1:1);
трихлорэтилене или хлористом метилене.
Хорошие результаты достигаются при
использовании фреона или смесей на его
основе. Но он экологически опасен.

Как
видно в нашем случае больше всего
подходит спирто-безиновая смесь. Она
относительно дешевая и доступная.

Выбор клеев.

При
выборе подходящего адгезива необходимо
учитывать некоторые требования. Выбор
адгезива в первую очередь определяется
методом его нанесения на плату.
Принципиальным моментом в определении
пригодности выбранного адгезива является
его способность формироваться в виде
капли, заполняющей самый большой
встречающийся промежуток между
компонентом и платой и в то же время не
растекающейся из-под самых малогабаритных
компонентов после нанесения.

Адгезив
должен быть относительно жидким для
удобства нанесения из шприца при
минимальном давлении и в то же время
быть достаточно вязким, чтобы не вытекать
самопроизвольно и не оставлять следа.
Также очень важно время отверждения
адгезива и его свойства после отверждения.
Все эти требования необходимо учитывать
при выборе адгезива.

Перспективными
являются адгезивы, представляющие собой
акрилатноэпоксидную систему, отверждающуюся
при воздействии УФ излучения с последующей
термообработкой в конвекционной или
ИК печи в течении 3-5 мин. при температуре
менее 383 К. Однако чаще всего для ПМК
применяются клеи на основе эпоксидных
смол, которые имеют довольно низкую
температуру отверждения, малый уровень
ионных загрязнений, малые деформации
при сдвиге и большую прочность, чем
припои.

Основные способы пайки.

1. Пайка
погружением в расплавленный припой.

2. Пайка
волной припоя.

3. Пайка
групповым паяльником.

4. Дозированная
пайка.

5. Пайка
параллельными электродами.

6. Пайка
в парогазовой среде.

Кроме
указанных способов пайки, в случае
отсутствия необходимого оборудования
или при изготовлении опытных образов,
производится обычная пайка паяльником,
микропаяльником, термокарандашом или
другими инструментами.

Пайка погружением в расплавленный припой.

Этот
метод применяется для монтажа изделий
электронной техники со штырьковыми
выводами. Оборудованием для этого
способа служит ванна, которая оснащена
нагревателем и терморегулятором, а так
же механической головкой, которая
осуществляет спускоподъемные операции
паяемого узла. Кроме того, ванна так же
оснащена реле времени, чтобы погружать
паяемый узел в расплавленный припой на
строго определенное время.

Вся
установка занимает мало места, но не
смотря на это, обладает довольно высокой
производительностью. Это достигается
за счет того, что время на которое узел
погружается в припой очень короткое, а
именно: пайка всех соединений осуществляется
за интервал, не превышающий 2…5 секунд.

Однако,
у этого метода есть существенный
недостаток: сравнительно большое число
дефектных соединений. Это происходит
из-за того, что при погружении в расплав
припоя печатной платы над ней скапливается
газ, который выделяется из флюса и из
подложки печатной платы, затем этот газ
попадает в соединение.

Пайка волной припоя.

·
высокая производительность ;

·
относительно слабое термическое
воздействие как на полу­проводниковые
приборы, так и на изделие электронной
техники вообще ;

·
высокое качество соединений пайкой.

Сущность
способа заключается в пропускании
печатной платы через гребень свободно
приливающегося из щелевого сопла
расплавленного припоя. Часто используют
еще и дополнительную волну, наряду с
основной. Это позволяет провести более
качественную пайку, особенно в отношении
компонентов поверхностного монтажа.