Пайка – важный этап и одна из наиболее ответственных операций в изготовлении электронной продукции. Для различных видов электронных компонентов и печатных плат используются различные методики для выполнения данного технологического процесса. Один из самых распространенных – пайка волной припоя, которая применяется преимущественно в сквозном и смешанном монтаже.

Общее описание метода

Эта технологическая операция была изобретена в середине 20 века, когда основным методом установки электронных компонентов был их монтаж в сквозные отверстия, проделанные в печатных платах. ПП с установленными на ней компонентами двигается поперек «гребня» стационарной волны расплавленного припоя, создаваемой в установке. Она обдает контактные подушки печатной платы и выводные контакты установленных на ней компонентов, формируя между ними паяные соединения.

Сегодня технология пайки волной – это сложный автоматизированный процесс. Большой толчок к ее развитию дало изобретение поверхностно-монтируемых компонентов. При их комбинации с компонентами сквозного монтажа на одной ПП применяется усовершенствованная технология пайки двумя волнами припоя. Причины этого следующие:

• Поверхностно-монтируемые элементы отличаются меньшими размерами и более плотно размещаются на поверхности ПП, поэтому им не подходят характеристики волны припоя, рассчитанные на пайку более крупных и реже расположенных компонентов сквозного монтажа.
• Поверхностно-монтируемые элементы более восприимчивы к высоким температурам, что также ограничивает применение к ним метода пайки волной припоя.
• Топология ПП должна быть приспособлена к ее движению поперек волны припоя. Это требует дополнительных затрат ресурсов и времени на их проектирование.

Такой метод пайки заключается в последовательном прохождении печатной платы через две волны припоя. Первая (турбулентная) подается из суженного сопла под высоким давлением, что исключает образование в ней полостей с веществами, образующимися при разложении флюса. При этом она все же создает перемычки между близко расположенными контактами, которые устраняются при прохождении платы над второй (ламинарной) волной с низкой скоростью истечения и более пологой формой. Она также завершает образование галтелей на контактных площадках.

Чтобы пайка была эффективной, необходимо обеспечить настраиваемые характеристики каждой волны. Для этого установки должны быть оборудованы отдельными соплами, насосами и контрольными модулями для каждой волны. Также их лучше приобретать с дешунтирующим ножом, который разрушает перемычки между близкорасположенными контактами. 

Преимущества пайки волной

Хотя технология пайки волной была разработана еще в 50-х годах прошлого века, она до сих пор широко используется в электронной промышленности. Это обусловлено следующими ее преимуществами:

• Высокой производительностью – благодаря глубокой автоматизации и непрерывности технологического процесса пайка волной хорошо подходит для средне- и крупносерийного производства электронной продукции;
• Быстрой теплопередачей – за счет этого данная технология хорошо подходит для пайки печатных плат с металлизированными отверстиями;
• Высокой точностью – в большинстве случаев пайка волной позволяет создавать тонкие галтели, что делает ее применимой для изготовления печатных плат с высокой плотностью компонентов, в том числе поверхностно-монтируемых.

Также важным преимуществом пайки волной являются незначительные ограничения, накладываемые на длину печатных плат. Это позволяет с помощью данной технологии изготавливать электронные изделия различных размеров.

Недостатки пайки волной

Помимо очевидных преимуществ, у данной технологии есть и существенные недостатки, ограничивающие ее применение в электронной промышленности:

• Дорогое техническое обслуживание, обусловленное необходимостью регулярной очистки оборудования от остатков припоя и флюса;
• Сложная настройка установки, требующая высокой квалификации рабочего персонала (особенно при реализации пайки двойной волной припоя);
• Сложное проектирование топологии печатной платы, которую необходимо адаптировать под вектор перемещения поперек гребня волны.

Поэтому, при всех своих плюсах, пайка волной применяется главным образом при сквозном и смешанном монтаже электронных компонентов. В SMT-технологии в качестве альтернативы ей используется пайка оплавлением.

Технологические аспекты пайки волной припоя

Особенности данной технологии пайки электронных компонентов заставляют особенно строго отслеживать различные характеристики техпроцесса. Важнейшее значение среди них имеют следующие параметры.

Гидродинамика волны. В современных установках для пайки волной за образование последней отвечают либо механические, либо электродинамические, работающие на основе силы Лоренца. В электронной промышленности более популярны на данный момент волнообразователи первого типа, конструкция которых включает крыльчатку, погруженную в расплав припоя. Первая (турбулентная волна) подается под высоким давлением и сравнительно узкой струей. Ее задача – проникнуть в переходные и монтажные отверстия, участки между компонентами, нагреть их и смочить все контактные подушки и выводы.

Задача второй (ламинарной) волны – полноценное формирование паяных соединений. В данном случае волнообразователь должен создать «мертвую зону», где отсутствует или сильно замедлено движение припоя. В ней или непосредственно около нее гребень волны должен соприкасаться с платой. На поверхности припоя в «мертвой зоне» образуется слой окислов, которые плата «выносит» по направлению своего движения. Если этого не происходит, на ее поверхности возможно образование «паутинной сетки» из мелких перемычек. 

Характеристики конвейера. Плата с установленными на ней компонентами подается в установку пайки с помощью конвейера. В большинстве случаев оптимальный угол его наклона составляет 5-9 градусов. Больший угол наклона упрощает стекание избыточного припоя, снижая риск возникновения перемычек. В то же время его увеличение ухудшает проникновение расплава в монтажные и переходные отверстия. Скорость конвейера определяется степенью предварительного нагрева и времени, в течение которого ПП контактирует с волной припоя. Ее рекомендованная скорость для качественной пайки составляет от 80 до 140 см/мин.

Нанесение флюса. При пайке волной припоя флюс может распыляться на поверхность ПП. Флюсователь должен наносить состав равномерно, без образования «слепых зон». Если они появляются, необходимо снизить скорость конвейера либо использовать головки с большим углом распыления. При пропуске начального участка печатной платы стоит настроить параметры флюсователя так, чтобы он начинал работать раньше.

Также необходимо учитывать давление, под которым флюс подается на поверхность ПП. Низкое значение этого показателя способствует увеличению и нестабильности размеров капель флюса. Чрезмерное давление делает состав мелкодисперсным, и он теряет свою активность еще на стадии предварительного нагрева. Применяя высокоплотный флюс, параметры давления нужно настроить на 10-20% выше того, которое применяется для менее плотных аналогов.    

Пенное флюсование. При использовании этого метода флюсователи настраиваются с помощью стеклянной платы. Нагнетание воздуха нужно подобрать таким образом, чтобы ширина смачивания была равна 1 см. Превышающая 80% интенсивная подача газообразной среды не рекомендуется, так как это ведет к увеличению размеров пузырьков пены, что снижает качество флюсования. Если повышение этого параметра не помогает, то стоит скорректировать высоту флюсователя, которая в большинстве случаев равна 10 см.  

Предварительный нагрев. Подбирать его температуру следует с учетом типа и структуры печатной платы, а также температуры, при которой испаряется растворитель. К спиртовым флюсам применяются следующие распространенные режимы в зависимости от вида ПП:

• Односторонние – 80-90 °С;
• Двухсторонние – 90-120 °С;
• Многослойные (до 4 слоев) – 105-120 °С;
• Многослойные (более 4 слоев) – 110-130 °С.

Для многослойных ПП предварительный нагрев значит очень много, так как оказывает влияние на качество пайки сквозных металлизированных отверстий. При наличии на плате крупных компонентов рекомендуется применять коротковолновые нагреватели. Увеличивать температуру на этапе предварительного нагрева следует со скоростью не выше 2°С в секунду.

Высота волн. Этот параметр рассчитывается как расстояние от высшей точки волнообразователя до нижней поверхности ПП. Для турбулентной волны этот показатель должен быть равен 7 мм, для ламинарной – 6,5-7 мм.

Ширина смачивания. Наряду со скоростью движения конвейера этот параметр влияет на время, в течение которого ПП контактирует с припоем. Он настраивается с помощью платы из стекла, которую перед этим нужно отфлюсовать. Для турбулентной волны оптимальная ширина смачивания – 1-1,5 см, для ламинарной – 3-4 см.

Температура припоя в ванне. Допустимый интервал этого показателя – 240-260°С. Чем она ниже, тем меньше риск термоудара по электронным компонентам. Повышение температуры до 260°С используется при пайке плат с несколькими слоями. Охлаждение ПП после пайки выполняется постепенно со скоростью 2-5°С/сек – это позволяет избежать термического удара по самой плате и компонентам. 

На сайте компании «Ассемрус» представлено современное оборудование для пайки электронных компонентов волной припоя. Наши специалисты помогут вам подобрать установку с нужными характеристиками, проконсультируют насчет ее правильной эксплуатации.