7. Лазерная пайка

Лазерная пайка (пайка лучом лазера) не относится к групповым методом пайки, поскольку монтаж ведется по каждому отдельному выводу либо по ряду выводов. Однако бесконтактность приложения тепловой энергии позволяет повысить скорость монтажа до 10 соединений в секунду и приблизиться по производительности к пайке в паровой фазе и ИК излучением

По сравнению с другими методами лазерная пайка обладает рядом следующих преимуществ. Во время пайки печатная плата и корпуса элементов практически не нагреваются, что позволяет монтировать элементы, чувствительные к тепловым воздействиям. В связи с низкой температурой пайки и ограниченной областью приложения тепла резко снижаются температурные механические напряжения между выводом и корпусом. Выбор материала основания не является критическим. Кратковременные действия тепла - 20...30 мс, резко снижаются толщина слоя интерметаллидов, припой имеет мелкозернистую структуру, что положительно сказывается на надежности ПС. Установки лазерной пайки могут быть полностью автоматизированы, при этом возможно использовать данные САПР для печатных плат.

Возможна пайка плат с высокой плотностью компоновки элементов, с размерами контактных площадок до 25 мкм, без образования перемычек на соседние соединения или их повреждения. При использовании хорошо просушенной паяльной пасты выполненные с помощью лазерной пайки ПС не образуют шариков припоя или перемычек, в результате чего отпадает необходимость применять паяльные маски. При использовании лазерной пайки нет необходимости в предварительном подогреве многослойной печатной платы, что обычно необходимо делать при пайке в паровой фазе для предотвращения расслоения платы. Не требуется также создавать какую-либо специальную газовую среду. Процесс пайки ведется в нормальной атмосфере без применения инертных газов.

Пайка волной припоя

Область применения

Пайка волной припоя появилась 30 лет назад и в настоящее время достаточно хорошо освоена. Предпочтение этому виду пайки отдается при сборке печатных плат с PTH компонентами (монтируемыми в отверстия). При этом ряд европейских производителей с успехом пользуется данной методикой для сборки плат по SMT технологии. При этом необходимо учитывать направление движения плат на конвейере установки в соответствии с расположением компонентов.

Принцип пайки волной припоя

Процесс пайки достаточно 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 прежних конструкциях установок для пайки применялись симметричные волны. В настоящее время каждый производитель использует свою собственную форму волны (в виде греческой буквы "омега", Z-образную, Т-образную и др.). Направление и скорость движения потока припоя, достигающего платы, также могут варьироваться, но они должны быть одинаковы по всей ширине волны. Угол наклона транспортера для плат тоже регулируется. 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 коммутационной плате. Узкий поток нагретого воздуха, движущийся с высокой скоростью, уносит с собой излишки припоя, тем самым, разрушая перемычки и способствуя удалению остатков припоя.

Когда впервые появились коммутационные платы, с обратной стороны которых компоненты устанавливались на поверхность, их пайка производилась волной припоя. При этом возникло множество проблем, связанных как конструкцией плат, так и с особенностями процесса пайки, а именно: непропаи и отсутствие галтелей припоя из-за эффекта затенения выводов компонента другими компонентами, преграждающими доступ волны припоя к соответствующим контактным площадкам, а также наличие полостей с захваченными газообразными продуктами разложения флюса, мешающих дозировке припоя.

Пайка двойной волной припоя

Совершенствование конструкции платы оказалось недостаточным для достижения высокого уровня годных при традиционных способах изготовления изделий с простыми компонентами, монтируемыми на поверхность обратной стороны плат. Потребовалось изменить технологический процесс пайки волной, внедрив вторую волну припоя. Первая волна делается турбулентной и узкой, она исходит из сопла под большим давлением (рис. 1). 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 ламинарной волной с малой скоростью истечения. Вторая волна обладает очищающей способностью и устраняет перемычки припоя, а также завершает формирование галтелей. Для обеспечения эффективности пайки все параметры каждой волны должны быть регулируемыми. Поэтому установки для пайки двойной волной должны иметь отдельные насосы, сопла, а также блоки управления для каждой волны. Установки для пайки двойной волной рекомендуется приобретать вместе с дешунтирующим ножом, служащим для разрушения перемычек из припоя.

Пайка двойной волной припоя применяется в настоящее время для одного типа коммутационных плат: с традиционными компонентами на лицевой стороне и монтируемыми на поверхность простыми компонентами (чипами и транзисторами) на обратной. Некоторые компоненты могут быть повреждены при погружении в припой во время пайки. Поэтому важно учитывать их термостойкость. Если пайка двойной волной применяется для монтажа плат с установленными на их поверхности компонентами сложной структуры, необходимы некоторые предосторожности:

1. Применять поверхностно монтируемые ИС, не чувствительные к тепловому воздействию;

2. Снизить скорость транспортера;

3. Проектировать коммутационную плату 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 (например, кристаллоносители с выводами). Чтобы уменьшить эффект затенения, прямоугольные чипы следует размещать перпендикулярно направлению движения волны. Трудно паять двойной волной припоя транзистор в корпусе S0Т-89, поскольку он имеет довольно массивный центральный вывод, что затрудняет его равномерное смачивание припоем (и растекание припоя) по всей поверхности.

Пайка в "закрытых" системах. Защитный газ

Химически неактивные газы нашли применение в качестве защитных газов при пайке волной, но их высокая стоимость делает их непригодными для промышленного использования.

Азот является единственным неактивным газом который содержится в атмосфере в количестве 75%, чем объясняется его сравнительная дешевизна.

Являясь инертным, азот имеет относительно низкую химическую активность. По этой причине он используется для удаления воздуха или кислорода из зоны пайки.

Таким образом, исключается окисление спаиваемых компонентов. Следовательно, паяемые поверхности очень чисты, так как исключена возможность распада испаренных компонентов флюса и активаторов.

Это очень важно для процесса пайки, так как можно избежать использования значительного количества жидких активаторов, которые предназначены для удаления окисла с припойной пасты.

При пайке волной припоя газообразный азот вводится в зону пайки специальным соплом и постоянно в ней циркулирует.

Принцип действия защитного газа

Впервые технология пайки в среде защитного газа была применена в конце 70 - х годов XX века компанией Siemens. Кожух паяльной системы заполнялся защитным газом и, следовательно, был очищен от кислорода. Кожух представлял собой шлюзовую систему и полностью изолировал паяльную камеру от окружающей атмосферы. Но такая система обладала значительными недостатками: высокая стоимость и низкая производительность, так как требовалось значительное время на загрузку, откачку и разгрузку. Кроме того, так как камера постоянно откачивалась и осуществлялся постоянный напуск защитного газа, расход последнего представлял огромные экономические затраты.

Вскоре появилась система Nitrogenius, которая обеспечивала полное удаление кислорода из зоны пайки без необходимости вакуумизирования системы и минимальный расход защитного газа. Система представляла собой паяльную камеру в форме туннеля с керамическими или стеклянными крышками. Таким образом, зона пайки освобождалась от кислорода с минимальными затратами. Напустив защитный газ через специальное сопло, вы можете использовать разницу в весе защитного газа и кислорода для удаления последнего из зоны пайки.

Сравнение технологий пайки в "открытых" и "закрытых" системах

В обычных системах для пайки волной воздух и, соответственно, кислород легко попадает в зону пайки. Это приводит к окалинам на поверхности пайки, которые, зачерпываясь волной припоя, могут проникать в зоны соединения элементов - как минимум, снижение надежности паяных соединений.

В закрытых системах пайки волной таких процессов не происходит благодаря отсутствию кислорода в зоне пайки.