2.2.3. Индивидуальная пайка электронных компонентов

Требуемый температурный режим при индивидуальной пайке обеспечивается теплофизическими характеристиками применяемого паяльника: 1) температурой рабочего конца жала (наконечника); 2) степенью стабильности этой температуры, обусловленной динамикой теплового баланса между теплопоглощением при пайке, теплоподводом и теплозапасом в паяльном жале; 3) мощностью нагревателя и термическим КПД паяльника, определяющими интенсивность теплового потока в паяемые соединения и необходимую температуру пайки.

Температура рабочего конца жала, измеряемая на холостом ходу, задается на 30...100 ⁰С выше точки ликвидуса припоя (полного расплавления твердой фазы). Номинальное значение температуры определяется термической чувствительностью элементов. В процессе пайки температура жала паяльника снижается за счет теплоотдачи, что при малой мощности нагревателя ограничивает число последовательно выполняемых соединений, чтобы не выйти за нижнюю границу тепловой зоны. Рекомендуемые мощности паяльников для пайки микросхем 4, 6, 12, 18 Вт, для печатного монтажа 25, 30, 35, 40, 50, 60 Вт, при проводном (жгутовом) монтаже 50, 60, 75, 90, 100, 120 Вт. Выбор мощности паяльников с учетом КПД (25...55%) производится в соответствии со средним теплопоглощением при многократной пайке элементов: ИС — 1,5...3 кал., ПП — 9...10 кал., жгутов — 15 кал.

Стабилизация температуры производится с помощью: 1) массивного паяльного жала (до 3 мм для микропаяльников) и близкого расположения нагревателя к концу жала; 2) импульсного нагрева, который эффективно восполняет потери тепла в процессе пайки; 3) электронных регуляторов, работающих на основании информации специальных датчиков (термопар); 4) использования для нагревателей материала, изменяющего свое электрическое сопротивление (например, агломерат свинца и бария) или магнитные свойства (рис. 2.7).

В качестве материала для паяльных жал используют медь ввиду ее высокой теплопроводности. Но вследствие химического взаимодействия с расплавленным припоем и флюсом, термоударов, окисления кислородом воздуха и структурных изменений долговечность такого жала составляет 700...1000 паек, после чего его перезатачивают. Нанесение на жало химического никеля увеличивает период между заточками до 1500 паек, а гальванический никель толщиной 90...100 мкм — до 2000 паек. В качестве перспективных материалов для паяльных жал рекомендуются медные сплавы МХН1-4, спеченный порошок сплава Сu—W, в котором износо- и термо-стойкость вольфрама сочетаются с электропроводностью меди. Гарантированная пористость материала улучшает смачивание жала припоем.

Рис. 2.7. Миниатюрный паяльник с термостабилизацией (фирма Weller, США)

Традиционный способ пайки паяльником

Последовательность процесса пайки паяльником показана на рис. 2.8. Режимами пайки являются температура, которая для наиболее широко распространенного припоя ПОС-61 (Sn61/Pb39) составляет 260±10°С, и время пайки 1...3 с. Пониженная температура приводит к недостаточной жидкотекучести припоя, плохому смачиванию, образованию «холодной пайки». Завышенная температура вызывает обугливание флюса, выгорание компонентов припоя, эрозию материала паяльного жала. Детали во время пайки фиксируются скручиванием проводников, размещением элементов в месте монтажа при помощи пинцета или аналогичного инструмента и т. д. Для охлаждения элементов во время пайки (при необходимости) применяют испарительный метод (нанесение дозы испаряющегося вещества), обдув газом, специальные термоэкраны.

Закачивается процесс пайки очисткой соединения от остатков флюса и визуальным контролем качества.

Рис. 2.8. Последовательность процесса пайки паяльником:

а — нагрев вывода и контактной площадки; б — введение припоя с флюсом в зону пайки: в — растекание припоя; г — кристаллизация

Пайка паяльником по методу «миниволна»

Часто в практике поверхностного монтажа пайка многовыводных микросхем, особенно с шагом выводов менее 0,5мм, вызывает большие проблемы и является крайне трудоемкой процедурой. Основной причиной этих затруднений является практика пайки каждого вывода в отдельности.

Однако уже в течение ряда лет существует эффективный метод монтажа подобных компонентов — паяльник, оснащенный жалами типа «миниволна» (в некоторых источниках – «микроволна»). С помощью этих жал достигается пайка всех выводов по стороне микросхемы одним проходом инструмента – паяльника (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Принцип пайки жалом «миниволна»

Запатентованный фирмой РАСЕ наконечник типа «миниволна» (Mini-Wave) отличается наличием резервуара для припоя в виде углубления особой формы на рабочей поверхности жала. Жала этого типа различаются по диаметру рабочей части и типу крепления, но идентичны по принципу действия. Профиль углубления, толщина стенок и барьерный угол рассчитаны так, чтобы капля припоя в нем удерживалась силами поверхностного натяжения, и эти же силы удаляли излишки припоя с пропаиваемых выводов, исключая образование «мостиков» между ними и выполняя тем самым функцию автоматической дозировки припоя, а именно: при «омывании» мест пайки избыточным количеством припоя, под действием сил поверхностного натяжения на выводах компонентов и контактных площадках осаждается ровно столько припоя, сколько необходимо и достаточно для каждого соединения. И процесс, и результат абсолютно аналогичны пайке на обычной «волновой» машине. Изящество данного метода в том, что не усложняется конструкция (как в случае паяльника с системой подачи припоя), паяльник остается легким и эргономичным инструментом. Наконечники имеют высокую износостойкость и отличаются сравнительно невысокой ценой.

Преимущества метода:

• оптимальные условия пайки: каждый контакт прогревается не более 1-2 секунд, что исключает образование интерметаллического слоя, снижающего качество и прочность соединения;

• получается требуемая стандартами форма мениска в точке соединения вывода элемента с контактной площадкой платы;

• не требуется точная дозировка припоя, так как он сам распределяется по контактам в оптимальном количестве;

• универсальность: например, для пайки корпусов PLC достаточно развернуть «миниволну» в вepтикaльную плоскость;

Последовательность действий при монтаже пайкой компонентов на ПП методом «миниволна» показана на рис. 2.10. Действуя антистатическим вакуумным манипулятором (например, Vampire), микросхему устанавливают на предварительно очищенные и залуженные (с помощью того же жала «миниволна») контактные площадки. Для закрепления микросхемы можно припаять два диагонально противоположных вывода тонким жалом. Затем приступают к групповой пайке «миниволной» каждой из четырех линеек выводов корпуса. Пайка занимает всего пару минут — гораздо меньше, чем предварительная подготовка. Линейку выводов микросхемы флюсуют, используя жидкий флюс или крем-флюс, не требующий отмывки. Углубление на конце жала «миниволна» заполняют припоем с небольшой горкой, а затем медленно (так, чтобы на каждый вывод в линейке приходилось не менее полутора секунд), почти без нажима перемещают жало перпендикулярно выводам микросхемы от начала линейки и до конца. Оптимальная температура пайки (точнее, индицируемое значение температуры термодатчика) при использовании различных модификаций жала «миниволна» составляет от 235°С (жало TechWelL) до 285°С (тонкое жало MicroWell).

Рис. 2.10. Процедура пайки жалом «миниволна»

Принципиальное значение имеет стабильность температуры при перемещении жала от начала до конца каждой линейки выводов — это выгодно отличает данный инструмент от обычного паяльника. Качество пайки можно оценить визуально и на слух, проводя тонким пинцетом по линейке припаянных выводов и вслушиваясь в издаваемый звук. Схожая техника используется для пайки микросхем в корпусе PLCC ножевидным жалом (с боковой рабочей поверхностью) при температуре 250°С.

Данный способ пайки при монтаже и ремонте узлов в условиях мелкосерийного и единичного производства РЭА находит все более широкое распространение, несмотря на сравнительно высокую цену, в которую обходится замена обычного паяльника на паяльную станцию с представленным инструментом. Решение о замене зависит от того, насколько технологически сложные и дорогостоящие изделия производятся (ремонтируются) на предприятии, и как важна при этом производительность труда. Достаточно одного примера, чтобы ощутить масштабы экономий ресурсов и увеличения производительности: на предприятии при пайке микросхем в корпусе PQFP-208 шагом выводов 0,5 мм: применение паяльной станции ERSA с жалом «миниволна» ускоряет выполнение работ в двадцать раз по сравнению с раздельной пайкой выводов; суммы затрат на припой уменьшаются в десять раз; расход паяльных жал снижается в четыре раза — и все это при высоком качестве пайки. С карандашом в руке нетрудно оценить сроки окупаемости паяльной станции по цене около $250: на Западе оно составляет в среднем полторы недели. В России с учетом низкой оплаты труда радиомонтажника срок окупаемости более продолжителен, но даже с учетом этого фактора внедрение дорогостоящего инструмента становится выгодным для предприятия решением.

Независимо от высокого уровня автоматизации сборочно-монтажных работ, по-прежнему остаются актуальными ручные паяльные и ремонтные станции фирм Расе, Weller (Cooper Tools), ERSA. К этому ряду прибавились фирмы Kohler и MARTIN. Безусловно, ремонтные и наладочные работы должны быть снабжены всеми видами инструментов для демонтажа, снятия лака, напайки перемычек, очистки, подлакировки и т.д.