Пайка волной припоя. Обзор технологии

При пайке волной создается стационарная, постоянно обновляемая волна расплавленного припоя. Печатные узлы, подлежащие пайке, движутся в одном направлении поперек «гребня» волны.

С момента изобретения в середине 50-х гг. прошлого века установки пайки волной развились от простых устройств с открытым конвейером до впечатляющих, полностью автоматических комплексов с программным управлением.

Для создания паяного соединения требуются флюс, подогрев и припой.

Флюс используется для очистки окисленных поверхностей, подлежащих пайке. Предварительный подогрев необходим для удаления основы флюса, активации флюса и уменьшения термоудара по компонентам и ПП, изготовленным из разнообразных материалов. Эти материалы представляют собой пластики, керамику, металлы, покрытия, различные химические элементы и их соединения.

При пайке волной время контакта платы с волной определяется шириной области контакта между волной припоя и нижней стороной платы, а также скоростью транспортировки.

Необходимость использования установок пайки волной для пайки плат, содержащих поверхностно-монтируемые компоненты, вызвала существенное развитие данной технологии. Были предложены установки пайки двойной волной припоя, которые наиболее широко используются в настоящее время.

На результат пайки большее влияние оказывает топология ПП. Особенно это касается многовыводных компонентов, имеющих большое количество выводов, расположенных близко друг к другу. В таких случаях пайка волной затруднительна, и следует использовать пайку оплавлением. Было отмечено, что даже при оптимальной конструкции контактных площадок изоляционное расстояние между ними часто менее 0,5 мм, поэтому высока вероятность образования перемычек припоя после пайки.

Преимущества пайки волной:

• непрерывный процесс, позволяющий достичь высокой производительности;
• быстрый перенос тепла, который делает данную технологию подходящей для пайки ПП с металлизированными отверстиями;
• в большинстве случаев возможно создание тонких галтелей, что позволяет паять ПП с высокой плотностью монтажа, включая ПП, содержащие ПМИ;
• незначительные ограничения, накладываемые на длину ПП.

Среди ограничений, присущих технологии пайки волной, можно отметить следующие:

• узкое технологическое окно процесса;
• высокая стоимость технического обслуживания из-за необходимости регулярной очистки установки;
• наладка установки, требующая квалифицированного персонала;
• топология ПП, которая должна быть адаптирована под направление движения ПП через волну.

Гидродинамика волны

Волна припоя в установках пайки волной может формироваться либо механически с помощью вращающейся крыльчатки, погруженной в ванну с припоем, либо путем использования силы Лоренца, создаваемой электрическими токами и магнитными полями. Повсеместное распространение получили установки пайки волной с механическим способом формирования волны припоя. Расплавленный припой подается в волнообразователи различной конструкции. Первая турбулентная волна обеспечивает проникновение расплавленного припоя между компонентами и в переходные отверстия, нагрев и смачивание всех выводов компонентов. Окончательное формирование паяных соединений, а, соответственно, и дефектов происходит при прохождении второй, ламинарной волны.

Как правило, ламинарные волнообразователи называют буквой греческого алфавита, форма которой приблизительно соответствует форме формирующейся волны. Существуют λ-, Ω-, δ-, Τ-волнообразователи. Необходимо иметь в виду, что качество пайки зависит в основном от правильной настройки волны, а не от конструкции волнообразователя. С другой стороны, поскольку на качество пайки оказывает влияние большое количество факторов, волнообразователей, позволяющих полностью исключить образование дефектов, не существует.

Конструкция ламинарного волнообразователя должна обеспечить наличие «мертвой» зоны, в которой припой не движется либо движется с очень малой скоростью. Контакт платы с волной происходит в «мертвой» зоне или вблизи нее. При этом верхний слой припоя должен прекратить свое движение в направлении, противоположном направлению транспортировки платы. Оксиды в «мертвой» зоне начнут двигаться в направлении транспортировки платы со скорость транспортировки. Т.е. плата должна выносить собой верхний загрязненный окислами слой припоя. Если этого по каким-либо причинам не происходит, появляется опасность возникновения перемычек или «паутинки припоя» на плате.

Основные технологические параметры процесса пайки волной:

• наносимое количество флюса;
• температура в зоне предварительного подогрева;
• скорость конвейера и угол наклона конвейера;
• высота волны;
• ширина смачивания;
• температура припоя.

Параметры конвейера. В общем случае угол наклона конвейера в установках пайки волной припоя может регулироваться в пределах 5-9°. С увеличением угла наклона улучшаются условия для стекания избытка припоя с платы, что уменьшает вероятность образования перемычек. Однако одновременно с увеличением угла ухудшается проникновение припоя в переходные и монтажные отверстия. Оптимальный угол наклона определяется также конструкцией ламинарного волнообразователя и для установок пайки волной фирмы ERSA составляет 7°.

Скорость конвейера задается с учетом температуры предварительного нагрева и времени контакта ПП с волной припоя. В общем случае для обеспечения хорошего качества пайки рекомендуется выставлять скорость в пределах 80-140 см/мин.

Нанесение флюса распылением. Флюсователь распылением должен обеспечивать равномерное нанесение флюса без «сухих полос». При возникновении «сухих полос» следует либо снизить скорость конвейера, либо использовать распылительную головку с большим углом раскрытия. Если не офлюсовывается начальный участок платы, следует скорректировать параметры флюсователя таким образом, чтобы его движение начиналось раньше.

Давление распыления влияет на результат флюсования следующим образом. Если оно слишком низкое, капли флюса укрупняются и имеют нестабильные размеры. В свою очередь, чрезмерно высокое давление приводит к мелкодисперсному распылению, что может вызвать потерю активности флюса еще в зоне предварительного нагрева. Давление распыления во флюсователях фирмы ERSA, как правило, настроено на оптимальную величину, которую не следует изменять.

При использовании флюсов с высокой плотностью, таких как VOC-free (флюсы на водной основе), давление распыления следует увеличить на 10-20 % по сравнению с флюсами на спиртовой основе.

Пенное флюсование. Настройка пенных флюсователей проводится с помощью стеклянной платы. Интенсивность подачи воздуха должна быть установлена таким образом, чтобы ширина смачивания стеклянной платы флюсом составляла около 1 см. Устанавливать интенсивность подачи воздуха более 80 % не рекомендуется, т.к. это приведет к укрупнению пузырьков пены и, как следствие, к ухудшению флюсования. Если увеличением интенсивности не удается добиться требуемой ширины смачивания, следует настроить высоту флюсования, которая, как правило, составляет порядка 10 мм.

Предварительный нагрев. Выбор температуры предварительного нагрева зависит от конструкции ПП, а также от температуры испарения растворителя. Для флюсов на спиртовой основе общепринятыми являются следующие режимы.

Режимы предварительного подогрева для флюсов на спиртовой основе

Особое внимание следует уделить подогреву при работе с многослойными ПП, который должен обеспечить качество пайки сквозных металлизированных отверстий. При наличии на плате массивных компонентов следует использовать коротковолновые динамические нагреватели. Изменение температуры на стадии предварительного нагрева должно осуществляться со скоростью не более 2 °С/сек. При недостаточном прогреве и неполном удалении растворителя флюса при пайке происходит выделение газов в волну припоя, что ведет к образованию шариков припоя, ухудшает смачивание и может приводить к непропаям выводов компонентов.

Высота волн. Механическая высота волн, т.е. расстояние от верхней точки волнообразователя до нижней стороны платы должно составлять для турбулентной волны 7 мм, для ламинарной волны 6,5–7 мм.

Ширина смачивания. Этот параметр вместе со скоростью конвейера определяет время контакта платы с припоем. Настройка ширины смачивания производится с помощью стеклянной платы. Стеклянная плата должна быть предварительно офлюсована. Оптимальными являются следующие параметры:

• для турбулентной волны – 1-1,5 см;
• для ламинарной волны – 3-4 см.

Температура припоя в ванне. Температура припоя в ванне может устанавливаться в пределах от 240 до 260 °С. Более низкая температура пайки позволяет минимизировать термоудар по электронным компонентам. Более высокая температура до 260 °С, как правило, устанавливается при пайке многослойных плат либо плат, имеющих проблемы с паяемостью.

Охлаждение ПУ после пайки рекомендуется выполнять со скоростью от 2 до 5 °С/сек. для предотвращения теплового удара по компонентам и ПП.