Выпуск #4/2006
Владимир Лисов.
ВРЕМЯ МЕНЯТЬ ТЕХНОЛОГИЮ Применение селективной пайки в современном производстве
ВРЕМЯ МЕНЯТЬ ТЕХНОЛОГИЮ Применение селективной пайки в современном производстве
Просмотры: 940
Несмотря на продолжающееся развитие и внедрение технологии поверхностного монтажа во всех отраслях электронной промышленности, традиционные выводные компоненты "в отверстия" так же, как и прежде, находят применение в большей части электронных изделий. Если количество выводных компонентов на плате достаточно велико, то на помощь приходит уже отработанная технология с применением пайки двойной волной припоя. Если же доля выводных компонентов незначительна, то производителям до недавней поры приходилось применять дорогостоящую оснастку (паллеты) для пайки ограниченных зон на плате, либо использовать имеющую множество слабых мест технологию "паста в отверстия", либо применять традиционный ручной труд. Ворвавшаяся в электронную отрасль технология селективной пайки позволяет решить большинство проблем пайки выводных компонентов. Кроме решения упомянутых выше "неудобных" вопросов, селективная пайка становится весьма эффективной в условиях продолжающейся миниатюризации компонентной базы, при внедрении бессвинцовой технологии она позволит решить проблемы с перегревом критичных к температурному воздействию компонентов, значительно снизить расходы на приобретение материалов (флюсов, припоев), решить проблему установки сложных разъемов со специфическими корпусами.
ПРЕИМУЩЕСТВА СЕЛЕКТИВНОЙ ПАЙКИ
В общем, применение селективной пайки, по сравнению с другими методами, становится более выгодным по следующим причинам.
· Снижение стоимости
- Нет необходимости в применении дорогих паллет.
- Нет необходимости в уходе и очистке паллет.
- Снижение трудоемкости в случае ручной пайки.
- Отсутствие необходимости в приобретении дорогостоящих термостойких компонентов.
- Чрезвычайно малое образование шлаков.
- Чрезвычайно малый расход флюса.
· Улучшение повторяемости
· Улучшение возможностей производства за счет меньших требований к конструкции платы
Селективная пайка и ручная
Если сравнивать селективную пайку с ручной, несомненно, что качество "селективных" паяных соединений значительно выше и то же самое можно сказать о повторяемости. При этом установка селективной пайки может заменить двухсменную работу восьми квалифицированных монтажников, стоимость труда которых также оплачивается весьма высоко. Если говорить о качестве выполненных работ, то наиболее красноречивы статистические данные, которые указаны на рис.1. Разница в производительности на нескольких платах отражена на рис. 2, и эта разница также в пользу селективной пайки. Селективная пайка и пайка волной с применением паллет
По сравнению с селективной пайкой, пайка волной с применением паллет имеет большую стоимость из-за стоимости паллет, которые надо изготавливать индивидуально под каждую плату. Применение паллет также накладывает определенные ограничения из-за неполного заполнения отверстий, вызванных недостаточной смачиваемостью. Несомненно также то, что при селективной пайке изделие испытывает меньший температурный стресс. О разнице в качестве пайки уже упоминалось выше (см. рис.1). Еще одним преимуществом селективной пайки перед паллетной является ничтожно малый расход флюса.
При паллетной пайке волной существуют ограничения на конструкцию платы, вызванные правилами конструирования, такими как расположение и ориентация компонентов
(рис. 3–5).
Селективная пайка и пайка по технологии "паста в отверстия"
Применяемая на некоторых предприятиях технология "паста в отверстия" по сравнению с селективной имеет достаточно большую нестабильность в результатах процесса, так как все-таки паяльные пасты разработаны для применения в SMT-технологиях. Кроме того, недостатком такой технологии является достаточно высокая стоимость самой паяльной пасты.
ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ СЕЛЕКТИВНОЙ ПАЙКИ
На рисунках приведены примеры плат, для которых необходимо применение селективной пайки.
ПРИМЕРЫ ПАЯЕМЫХ КОМПОНЕНТОВ
Дисплеи. Преимущество использования селективной пайки в том, что дисплей подвергается лишь кратковременному воздействию высоких температур и нет риска его повреждения
Выводные разъемы. Селективная пайка выводных разъемов является хорошей альтернативой пайки «пастой в отверстия»
Большие разъемы. Пайка больших разъемов может быть оптимизирована для лучшего заполнения отверстий без образования перемычек. Для таких разъемов может использоваться как селективная, так и мультиволна
Конденсаторы. Конденсаторы не должны подвергаться длительному температурному воздействию. При пайке волной они могут перегреться. Селективная пайка дает требуемое заполнение отверстий без перегрева
Плоские кабели. Плоский кабель может паяться, как селективной волной, так и погружением. Пластик может контактировать с припоем, если время контакта короткое
Машины селективной пайки фирмы Soltec
Наибольшей популярностью среди производителей электронной техники пользуются машины селективной пайки фирмы Vitronics-Soltec. Vitronics-Soltec была основана в 1916 году и имеет почти вековой опыт в области разработки и производства машин для пайки, а также внедрения техпроцессов пайки. Помимо машин для селективной пайки, Vitronics-Soltec производит установки для пайки волной припоя и печи оплавления. Для различных предприятий в зависимости от требований по производительности и гибкости Vitronics-Soltec разработала несколько типов машин селективной пайки, входящих в серию машин MySelective (рис. 6):
MySelective 6748, MySelective 6749 – наиболее универсальные машины, отвечающие требованиям высокой производительности и максимальной гибкости. В машинах применяются методы пайки селективной волной и мультиволной (отличие в методах описано ниже);
MySelective 6746, MySelective 6747 – машины, предназначенные для производств с максимальными требованиями по производительности и минимальными требованиями гибкости. Применяется метод пайки мультиволной;
MySelective 6745 – машина, обеспечивающая максимальную гибкость для малых и средних серий. Применяется селективная волна.
Все машины серии MySelective построены по модульному принципу, в них применяются модули, которые могут иметь некоторые конструктивные различия в зависимости от модели, но использующие одинаковый принцип. Модули, использующиеся в машинах, следующие:
ФЛЮСОВАНИЕ
В сравнении с пайкой волной припоя расход флюса при селективной пайке значительно меньше (1/20 часть от расхода при пайке волной), что делает селективную пайку менее привлекательной для поставщиков флюса. Кроме того, для селективной пайки применимы большинство наиболее популярных флюсов, предназначенных для пайки волной.
Общие требования для флюсов должны быть следующие:
* флюс не должен слишком сильно растекаться;
* флюс должен хорошо проникать в отверстия;
* растворитель должен испаряться максимально быстро.
Селективное нанесение флюса дает возможность достичь наилучших параметров пайки и в то же время избежать процесса отмывки. Для достижения этих целей необходимо точное точечное нанесение флюса. При выборе из трех возможных технологий при флюсовании фирма Vitronics-Soltec остановилась на методе каплеструйного флюсования, при помощи которого можно очень точно нанести рассчитанное необходимое количество флюса.
Применяемый в системах селективной пайки фирмы Soltec каплеструйный модуль флюсования имеет диаметр наконечника 130 мкм, что позволяет покрыть 95% необходимых приложений. В случае необходимости может использоваться опциональный наконечник 270 мкм.
Для удовлетворения специальных требований заказчика по производительности может использоваться сдвоенный флюсователь, а в машинах MySelective 6746, MySelective 6747 – два модуля флюсования.
В случае, если необходимо флюсовать большие площади, в машинах может использоваться спрей-флюсователь.
ПРЕДНАГРЕВ
Модули преднагрева так же, как и в случае пайки волной, необходимы для:
* выпаривания растворителя флюса;
* улучшения паяемости всей платы;
* уменьшения термостресса материалов;
* улучшения заполнения отверстий.
Преимущество модуля преднагрева на основе кварцевых нагревателей заключается в возможности быстрого нагрева при минимальном рассеивании тепла. Каждый модуль имеет мощность 9 кВт и может регулироваться индивидуально. На машине 6747 можно установить до трех модулей преднарева.
В случаях, если область пайки и количество наносимого флюса малы, при селективной пайке возможно пропустить операцию преднагрева после флюсования, если результаты пайки положительны. Это может значительно повысить производительность.
СЕЛЕКТИВНАЯ ВОЛНА
Наибольшую гибкость обеспечивает селективная волна. Применяемая в машинах Vitronics Soltec система селективной волны обеспечивает:
* стабильную чистую волну;
* высочайшую точность пайки;
* точечную пайку погружением;
* пайку полосой;
* возможность пайки под углом;
* постоянный поток азота;
* минимум обслуживания;
* быструю смену наконечников.
С машинами поставляется стандартный ряд наконечников 4, 6, 12 мм, а также смачиваемый наконечник 3 мм. Под требования заказчика может быть изготовлен нестандартный наконечник. Пайка может вестись по точкам (погружением) или линией (протягиванием). Наиболее предпочтительной оказывается пайка под углом 10o. Применение смачиваемого наконечника оказывается невыгодным при пайке бессвинцовыми припоями из-за малого срока службы наконечника (менее месяца).
Для того чтобы сохранить передний фронт волны, в машинах Vitronics Soltec предусмотрена система кондиционирования волны SDC (Solder Drain Conditioner). На передний фронт волны подается струя азота, предотвращая захлестывание припоя через переднюю часть наконечника и тем самым образование перемычек и сохраняя стабильность волны. На фотографиях приведены примеры пайки без системы SDC и с системой SDC.
СИСТЕМА ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ПЛАТ
Для захвата плат и перемещений при селективной пайке (а также между модулями в некоторых машинах) фирма Vitronics Soltec разработала уникальную систему, представляющую собой робот с универсальным держателем плат. Робот осуществляет перемещения по осям X/Y/Z, поворот на 360о, а также наклон для обеспечения правильного угла пайки.
МУЛЬТИВОЛНА
Для обеспечения максимальной производительности с сохранением всех преимуществ селективной пайки используется метод пайки мультиволной, представляющий собой систему с несколькими наконечниками (мультиплита), сконфигурированными под конкретную плату и обеспечивающими групповую пайку погружением при помощи стоячей волны, сформированной на каждом наконечнике.
Для улучшения результатов пайки и ее повторяемости в мультиволне фирмы Soltec применяется запатентованная система бокового слива (SideFlow), а для исключения перемычек – запатентованная система экранов на наконечнике. Для пайки без образования окислов применяется азотный колпак.
Система бокового слива (SideFlow) обеспечивает температурную стабильность припоя в наконечнике. Стабилизирующее отверстие обеспечивает одинаковую высоту волны, независимо от диаметра отверстия наконечников.
Экран на наконечнике обеспечивает гарантированную пайку без перемычек.
В общем, применение селективной пайки, по сравнению с другими методами, становится более выгодным по следующим причинам.
· Снижение стоимости
- Нет необходимости в применении дорогих паллет.
- Нет необходимости в уходе и очистке паллет.
- Снижение трудоемкости в случае ручной пайки.
- Отсутствие необходимости в приобретении дорогостоящих термостойких компонентов.
- Чрезвычайно малое образование шлаков.
- Чрезвычайно малый расход флюса.
· Улучшение повторяемости
· Улучшение возможностей производства за счет меньших требований к конструкции платы
Селективная пайка и ручная
Если сравнивать селективную пайку с ручной, несомненно, что качество "селективных" паяных соединений значительно выше и то же самое можно сказать о повторяемости. При этом установка селективной пайки может заменить двухсменную работу восьми квалифицированных монтажников, стоимость труда которых также оплачивается весьма высоко. Если говорить о качестве выполненных работ, то наиболее красноречивы статистические данные, которые указаны на рис.1. Разница в производительности на нескольких платах отражена на рис. 2, и эта разница также в пользу селективной пайки. Селективная пайка и пайка волной с применением паллет
По сравнению с селективной пайкой, пайка волной с применением паллет имеет большую стоимость из-за стоимости паллет, которые надо изготавливать индивидуально под каждую плату. Применение паллет также накладывает определенные ограничения из-за неполного заполнения отверстий, вызванных недостаточной смачиваемостью. Несомненно также то, что при селективной пайке изделие испытывает меньший температурный стресс. О разнице в качестве пайки уже упоминалось выше (см. рис.1). Еще одним преимуществом селективной пайки перед паллетной является ничтожно малый расход флюса.
При паллетной пайке волной существуют ограничения на конструкцию платы, вызванные правилами конструирования, такими как расположение и ориентация компонентов
(рис. 3–5).
Селективная пайка и пайка по технологии "паста в отверстия"
Применяемая на некоторых предприятиях технология "паста в отверстия" по сравнению с селективной имеет достаточно большую нестабильность в результатах процесса, так как все-таки паяльные пасты разработаны для применения в SMT-технологиях. Кроме того, недостатком такой технологии является достаточно высокая стоимость самой паяльной пасты.
ПРИМЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ СЕЛЕКТИВНОЙ ПАЙКИ
На рисунках приведены примеры плат, для которых необходимо применение селективной пайки.
ПРИМЕРЫ ПАЯЕМЫХ КОМПОНЕНТОВ
Дисплеи. Преимущество использования селективной пайки в том, что дисплей подвергается лишь кратковременному воздействию высоких температур и нет риска его повреждения
Выводные разъемы. Селективная пайка выводных разъемов является хорошей альтернативой пайки «пастой в отверстия»
Большие разъемы. Пайка больших разъемов может быть оптимизирована для лучшего заполнения отверстий без образования перемычек. Для таких разъемов может использоваться как селективная, так и мультиволна
Конденсаторы. Конденсаторы не должны подвергаться длительному температурному воздействию. При пайке волной они могут перегреться. Селективная пайка дает требуемое заполнение отверстий без перегрева
Плоские кабели. Плоский кабель может паяться, как селективной волной, так и погружением. Пластик может контактировать с припоем, если время контакта короткое
Машины селективной пайки фирмы Soltec
Наибольшей популярностью среди производителей электронной техники пользуются машины селективной пайки фирмы Vitronics-Soltec. Vitronics-Soltec была основана в 1916 году и имеет почти вековой опыт в области разработки и производства машин для пайки, а также внедрения техпроцессов пайки. Помимо машин для селективной пайки, Vitronics-Soltec производит установки для пайки волной припоя и печи оплавления. Для различных предприятий в зависимости от требований по производительности и гибкости Vitronics-Soltec разработала несколько типов машин селективной пайки, входящих в серию машин MySelective (рис. 6):
MySelective 6748, MySelective 6749 – наиболее универсальные машины, отвечающие требованиям высокой производительности и максимальной гибкости. В машинах применяются методы пайки селективной волной и мультиволной (отличие в методах описано ниже);
MySelective 6746, MySelective 6747 – машины, предназначенные для производств с максимальными требованиями по производительности и минимальными требованиями гибкости. Применяется метод пайки мультиволной;
MySelective 6745 – машина, обеспечивающая максимальную гибкость для малых и средних серий. Применяется селективная волна.
Все машины серии MySelective построены по модульному принципу, в них применяются модули, которые могут иметь некоторые конструктивные различия в зависимости от модели, но использующие одинаковый принцип. Модули, использующиеся в машинах, следующие:
ФЛЮСОВАНИЕ
В сравнении с пайкой волной припоя расход флюса при селективной пайке значительно меньше (1/20 часть от расхода при пайке волной), что делает селективную пайку менее привлекательной для поставщиков флюса. Кроме того, для селективной пайки применимы большинство наиболее популярных флюсов, предназначенных для пайки волной.
Общие требования для флюсов должны быть следующие:
* флюс не должен слишком сильно растекаться;
* флюс должен хорошо проникать в отверстия;
* растворитель должен испаряться максимально быстро.
Селективное нанесение флюса дает возможность достичь наилучших параметров пайки и в то же время избежать процесса отмывки. Для достижения этих целей необходимо точное точечное нанесение флюса. При выборе из трех возможных технологий при флюсовании фирма Vitronics-Soltec остановилась на методе каплеструйного флюсования, при помощи которого можно очень точно нанести рассчитанное необходимое количество флюса.
Применяемый в системах селективной пайки фирмы Soltec каплеструйный модуль флюсования имеет диаметр наконечника 130 мкм, что позволяет покрыть 95% необходимых приложений. В случае необходимости может использоваться опциональный наконечник 270 мкм.
Для удовлетворения специальных требований заказчика по производительности может использоваться сдвоенный флюсователь, а в машинах MySelective 6746, MySelective 6747 – два модуля флюсования.
В случае, если необходимо флюсовать большие площади, в машинах может использоваться спрей-флюсователь.
ПРЕДНАГРЕВ
Модули преднагрева так же, как и в случае пайки волной, необходимы для:
* выпаривания растворителя флюса;
* улучшения паяемости всей платы;
* уменьшения термостресса материалов;
* улучшения заполнения отверстий.
Преимущество модуля преднагрева на основе кварцевых нагревателей заключается в возможности быстрого нагрева при минимальном рассеивании тепла. Каждый модуль имеет мощность 9 кВт и может регулироваться индивидуально. На машине 6747 можно установить до трех модулей преднарева.
В случаях, если область пайки и количество наносимого флюса малы, при селективной пайке возможно пропустить операцию преднагрева после флюсования, если результаты пайки положительны. Это может значительно повысить производительность.
СЕЛЕКТИВНАЯ ВОЛНА
Наибольшую гибкость обеспечивает селективная волна. Применяемая в машинах Vitronics Soltec система селективной волны обеспечивает:
* стабильную чистую волну;
* высочайшую точность пайки;
* точечную пайку погружением;
* пайку полосой;
* возможность пайки под углом;
* постоянный поток азота;
* минимум обслуживания;
* быструю смену наконечников.
С машинами поставляется стандартный ряд наконечников 4, 6, 12 мм, а также смачиваемый наконечник 3 мм. Под требования заказчика может быть изготовлен нестандартный наконечник. Пайка может вестись по точкам (погружением) или линией (протягиванием). Наиболее предпочтительной оказывается пайка под углом 10o. Применение смачиваемого наконечника оказывается невыгодным при пайке бессвинцовыми припоями из-за малого срока службы наконечника (менее месяца).
Для того чтобы сохранить передний фронт волны, в машинах Vitronics Soltec предусмотрена система кондиционирования волны SDC (Solder Drain Conditioner). На передний фронт волны подается струя азота, предотвращая захлестывание припоя через переднюю часть наконечника и тем самым образование перемычек и сохраняя стабильность волны. На фотографиях приведены примеры пайки без системы SDC и с системой SDC.
СИСТЕМА ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ПЛАТ
Для захвата плат и перемещений при селективной пайке (а также между модулями в некоторых машинах) фирма Vitronics Soltec разработала уникальную систему, представляющую собой робот с универсальным держателем плат. Робот осуществляет перемещения по осям X/Y/Z, поворот на 360о, а также наклон для обеспечения правильного угла пайки.
МУЛЬТИВОЛНА
Для обеспечения максимальной производительности с сохранением всех преимуществ селективной пайки используется метод пайки мультиволной, представляющий собой систему с несколькими наконечниками (мультиплита), сконфигурированными под конкретную плату и обеспечивающими групповую пайку погружением при помощи стоячей волны, сформированной на каждом наконечнике.
Для улучшения результатов пайки и ее повторяемости в мультиволне фирмы Soltec применяется запатентованная система бокового слива (SideFlow), а для исключения перемычек – запатентованная система экранов на наконечнике. Для пайки без образования окислов применяется азотный колпак.
Система бокового слива (SideFlow) обеспечивает температурную стабильность припоя в наконечнике. Стабилизирующее отверстие обеспечивает одинаковую высоту волны, независимо от диаметра отверстия наконечников.
Экран на наконечнике обеспечивает гарантированную пайку без перемычек.
Отзывы читателей
