Выбор подходящей технологии селективной пайки. Часть 2

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ   УСТАНОВОК

Согласно результатам исследования существует большая разница в реальной производительности установок селективной пайки при работе в условиях массового производства. Данные для подсчета производительности установок А и Б собирались на протяжении месяца при одинаковых условиях эксплуатации.

Несмотря на практически идентичную концепцию построения систем – параллельная обработка плат, одновременная пайка мультизаготовок двумя смачиваемыми припоем волнообразователями и пр. – разница между реальной производительностью первой и второй установок отличается в 6 раз! Падение реальной производительности производственной линии обусловлено большим количеством простоев, связанных с обслуживанием и ремонтом установки А. В то же время на второй производственной линии установка Б стабильно продолжала изготавливать печатные узлы с хорошим качеством пайки в условиях массового изготовления продукции.

ПРИЧИНЫ ПАДЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ УСТАНОВКИ А

Как отмечалось выше, время жизни волнообразователей установки А и Б отличается примерно в 2,5 раза. На практике в процессе исследования это привело к тому, что в первый месяц эксплуатации оборудования произошло выгорание кончика волнообразователя установки А, и это начало сказываться на стабильности миниволны припоя и, соответственно, на качестве пайки изготавливаемых изделий. Для предотвращения последующего брака изношенный волнообразователь пришлось заменить, для чего потребовалась полная остановка производственной линии.

Также причиной падения производительности стала поломка и замена составных частей модуля пайки. В первый же месяц эксплуатации установки А произошло полное изнашивание приводного ремня и поломка ходовых винтов, перемещающих ванну с припоем вверх/вниз.

В ходе поиска причин быстрого износа ремня выяснилось, что изначально он не был рассчитан на работу при высоких температурах. В конструкцию модуля пайки системы А встроена специальная система воздушного охлаждения, которая должна поддерживать температуру на уровне не более 75 градусов, однако, как выяснилось, данная система поддерживает температуру на таком уровне не во всех случаях. При выключении установки первой обесточивается система воздушного охлаждения, при этом температура насоса и ремней достигает значения в 200 градусов, что и приводит к последующему износу.

В ходе работы установки А было выявлено повышенное окислообразование на поверхности припоя, вызванное повреждением кожуха распыления азота. Для его замены также потребовалась остановка производственной линии.

ПРОБЛЕМЫ КАЧЕСТВА ПАЙКИ ПУ

Независимо от производителя и конструкции используемой вами установки важными являются правильная настройка и подбор технологических параметров и режимов работы для конкретного печатного узла. При неправильном подборе параметров проблемы могут наблюдаться на любой установке. Также важна способность той или иной системы поддерживать нужное качество пайки в течение длительного времени, что особенно важно при серийной сборке изделий.

На рисунке приведен пример неудовлетворительного качества пайки одного из выводов штырьевого компонента. Причиной плохой пайки стал повышенный износ кончика волнообразователя. Для создания качественного паяного соединения важно, чтобы высота и форма миниволны припоя были стабильны во времени. Плохое смачивание припоем поверхности волнообразователя, его деформация и износ напрямую влияют на стабильность миниволны и, соответственно, на качество паяных соединений. Поэтому рекомендуется постоянно контролировать стабильность миниволны припоя и следить за степенью износа волнообразователей. Для этих целей производители оборудования предлагают специальные камеры визуализации процесса пайки.

Неудовлетворительное заполнение отверстия при пайке возникает в случаях, когда припой не достигает верха металлизированного монтажного отверстия и не смачивает контактную площадку и вывод компонента на верхней стороне платы. Для улучшения заполнения отверстия припоем можно попробовать повысить температуру припоя или использовать более активный флюс. Немаловажным фактором также служит стабильность формы миниволны припоя и равномерность прогрева ПУ.

Изменение цвета ЖК-дисплея произошло, когда во время стадии предварительного нагрева ЖК-дисплей подвергался воздействию температуры выше, чем 100 градусов. Такое возможно при использовании для предварительного нагрева только верхних нагревателей как на установке А. Для предотвращения повреждения компонентов, чувствительных к воздействию высокой температуры (таких как ЖК-дисплеи), рекомендуется использовать нижний преднагрев или изготавливать специальную оснастку для маскирования этих компонентов с верхней стороны.

На рисунке можно увидеть большое количество шариков припоя, разбросанных вблизи выводов штырьевых компонентов. Такой эффект наблюдается на некоторых паяльных масках при высокой температуре припоя при пайке бессвинцовыми припоями. Также причиной большого количества шариков между выводами компонентов может являться низкая активность флюса или неполное испарение растворителя в процессе предварительного нагрева. Предотвратить образование шариков припоя возможно путем изменения паяльной маски, корректировки температуры припоя, параметров преднагрева или использования более активного флюса.

НАДЕЖНОСТЬ ЗАПАЯННЫХ ПУ

Испытание на воздействие окружающей среды Одной из целей данного исследования было сравнить надежность изделий, запаянных на обоих установках. Для этого было прове-дено термоциклирование собранных ПУ согласно рекомендациям стандарта JESD22-A104-B. 

По результатам термоциклирования для всех печатных узлов можно отметить следующее:

• не было выявлено никаких заметных изменений во внешнем виде паяных соединений после проведенного термоциклирования;
• несмотря на разную степень заполнения припоем монтажных отверстий на разных ПУ, не было выявлено никаких заметных отклонений в их работоспособности;
• все образцы с установки А и Б успешно прошли испытание на термоциклирование.

ЗАПОЛНЕНИЕ МОНТАЖНЫХ ОТВЕРСТИЙ

Для оценки качества заполнения монтажных отверстий использовалась установка рентгеновского контроля. При проведении теста измерялась величина заполнения выбранных монтажных отверстий. Выходными данными были 0 и 1. Значение 0 означает, что заполнение припоем монтажного отверстия составляет менее 75%, значение 1 – что заполнение отверстия больше, чем 75%.

На рисунке представлены результаты обработки изображений тестируемых печатных узлов, полученных на рентгеновской установке. Из диаграммы распределения видно, что вероятность плохого заполнения отверстия при пайке на установке А выше, чем при селективной пайке выводов на установке Б. Ниже приведены примеры рентгеновских снимков ПУ, запаянных на установках.

На рисунке показан пример рентгеновского снимка запаянного штырьевого компонента, где первый вывод имеет заполнение отверстия менее 75%; на рисунке можно видеть, что на ПУ, запаянных на установке Б, все выводы имеют заполнение отверстий более 75%.

АНАЛИЗ ШЛИФА ПАЯНЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Шлифы паяных соединений нескольких выборочных ПУ показали хорошее заполнение отверстий и общее качество пайки и смачивания припоем всех выводов штырьевых компонентов. Как видно в паяных соединениях содержится небольшое количество пустот, размер которых не превышает 3-4 мкм. Однако ни размер пустот, ни их расположение не влияют на работоспособность и надежность изготавливаемого изделия. Причиной их возникновения может являться дегазация платы в процессе пайки или остаточные загрязнения на поверхности платы и/или компонента. Однако нужно учитывать, что большое количество и размер пустот может повлиять на тепловые и электрические характеристики паяного соединения, что, в свою очередь, может стать причиной плохого теплового, электрического и механического контакта штырьевого компонента со стенками монтажного отверстия.

ПОДВЕДЕНИЕ ИТОГОВ

Несмотря на сравнительно небольшие по сравнению с установкой Б (в два раза меньшие) первоначальные инвестиции в установку А, её всё же не рекомендуется использовать в случаях высоких требований к производительности и повторяемости качества изготавливаемых изделий. Связано это с большими (по сравнению с установкой Б) временными, трудовыми и финансовыми затратами в процессе её эксплуатации, и в конечном счете негативно сказывающимися на итоговой себестоимости изготовления продукции. Учитывая тот факт, что в процессе эксплуатации установка А оказалась в шесть раз менее производительной, чем установка Б, нетрудно подсчитать, что несмотря на в два раза меньшую стоимость оборудования себестоимость изготовления одной единицы продукции на установке А будет в три раза выше!

Поэтому, невзирая на схожие конструктивные и функциональные характеристики оборудования, в связи с высокими затратами на эксплуатационные расходы установки А видна существенная разница в реальной производительности, себестоимости и даже качестве изготавливаемой продукции. Факторы, которые необходимо учитывать при выборе подходящего оборудования:

Сравнивать установки нужно не только с точки зрения стоимости, функциональных и технических характеристик, но также и с точки зрения качества изготовления её составных элементов, их продуманности и эргономичности.

Конструкция установки оказывает гораздо большее влияние на итоговый результат, нежели её технические параметры и функциональность.

Способ реализации процесса селективной пайки также существенным образом влияет на то, насколько сложным и трудоемким будет процесс отладки техпроцесса и последующее его обслуживание.

Исследование, проведенное нашими зарубежными коллегами, показало, что установка Б при работе в условиях массового выпуска изделий (несмотря на довольно большие по сравнению с другой установкой финансовые затраты на начальном этапе) показала лучшую реальную производительность и стабильность качества пайки выпускаемой продукции благодаря минимальным простоям оборудования, связанным с обслуживанием, ремонтом и отладкой техпроцесса.