Паяние электроники

Надежность сборки любой электроники во многом зависят от того, насколько точно подобраны технологические процессы и выбран припой – сплав для соединения деталей. Паяние на печатные платы (диэлектрические пластины с токопроводящими дорожками) может быть ручным (специальным паяльником) либо на оборудовании, в котором все операции или часть их осуществляются автоматически. При сборке используются два типа монтажа:

• DIP (THT), выводной или сквозной – контакты выводятся через отверстия наружу печатной платы (ПП);
• SMD, поверхностный – фиксация осуществляется на металлизированных дорожках поверхности.

При пайке сложной электроники часто требуются оба вида монтажа. В этом случае сначала монтируют SMD-, а затем – DIP-элементы.

Одним из параметров классификации паяния является количество одновременно монтируемых элементов. Согласно этому показателю, пайка может быть:

• групповой (синхронной), когда тепловое воздействие испытывает сразу вся поверхность ПП;
• селективной (индивидуальной), с локальным нагревом отдельных участков.

Однако основным признаком классификации будет технология. Она делится на пять категорий пайки: волной припоя, инфракрасным нагревом, конвекцией, конденсацией и лазером. Выбор правильной технологии в сочетании с групповой обработкой всей печатной платы позволяет существенно сократить сроки работ и сохранить высокое качество соединений.

Она впервые появилась в 1950-х годах и сохранила свою актуальность доныне. Пайка волной припоя осуществляется в такой последовательности:

• на ПП устанавливаются электронные компоненты, после чего она подается на конвейер;
• площадки, где необходимо нанести паяльный состав, покрывают флюсом;
• плата плавно нагревается и отправляется к ванне с жидким припоем;
• сопла создают волну, гребень которой имеет расчетные размеры;
• припой в заданном количестве наносится на подготовленные площадки и выводы.

Такую технологию пайки выбирают преимущественно при DIP-монтаже. Это удобно, так как компоненты и их выводы находятся по разные стороны печатной платы. Пайка волной может применяться и при поверхностном монтаже, однако для него потребуется предварительная подготовка. Например, перед подачей ПП к ванне с припоем компоненты следует приклеить к поверхности. Кроме того, паяльным составом омываются не только поверхность платы, но и корпуса SMD, которые не всегда могут выдержать такой нагрев. Это существенно ограничивает использование такого способа для поверхностного монтажа.

Принцип действия такого метода заключается в том, что на участки пайки направляют сфокусированный поток тепловых лучей (ИК-излучения).

Виды оборудования. Для пайки электронных компонентов на печатной плате применяются инфракрасные печи, работающие автоматически или полуавтоматически. В последнем случае на некоторых этапах требуется вмешательство оператора. По типу источника инфракрасные установки делятся на следующие виды:

• ламповые;
• панельные;
• комбинированные.

Последние включают в себя и лампы, и панели. Современные модели инфракрасных печей позволяют равномерно прогреть печатные платы (без так называемых «горячих точек») и предусматривают быстрый отвод газообразных веществ, которые образуются при испарении флюсов.

Преимущества ИК-пайки. К существенным плюсам такого паяния электроники относятся:

• возможность применения в серийном и массовом производстве ПП;
• отсутствие необходимости приклеивания (если элементы монтируются с одной стороны);
• возможность сборки печатных плат с плотным размещением электронных компонентов;
• удобная фиксация всех элементов, даже если их контакты скрыты под корпусом;
• осуществление дифференцированного нагрева – разного для различных зон печатной платы.

При выборе инфракрасной технологии обязательно учитываются тип элементов и ограничения, связанные с материалами ПП.

Такая технология в качестве источника тепла использует паровую фазу инертных жидкостей. Она будет хорошим вариантом для производства малых серий ПП с SMD-элементами любого типа. Конденсационная пайка включает в себя несколько этапов:

• подготовленная печатная плата с электронными компонентами, установленными на паяльном составе, помещается в камеру нагрева;
• в ней ПП нагревается за счет того, что на ее поверхности конденсируется пар инертной жидкости, не вызывающей окисления;
• при кипении пар вытесняет атмосферный воздух из рабочей зоны, и пайка электроники осуществляется в бескислородной среде.

Для такой технологии подбирается жидкость, которая имеет температуру кипения в диапазоне +160…260 °С. Учитываются индивидуальные требования к процессу и особенности припоя (со свинцом или без него). Благодаря стабильной температуре паровой фазы компоненты не перегреваются, а условия процесса для разных плат воспроизводятся максимально точно. Такая технология позволяет изготавливать любые ПП, в том числе многослойные, гибкие, на основании из алюминия.

В ней предусматривается нагрев паяльной пасты горячим воздухом за счет искусственной конвекции. Если требуется свести к минимуму процессы окисления, то пайку проводят в инертной газовой среде. Конвекционная технология включает в себя четыре последовательных этапа:

• проводится нагрев платы с установленными электронными компонентами;
• температура нагрева выравнивается (стабилизируется) до заданного уровня;
• осуществляется оплавление контактов;
• печатная плата охлаждается до комнатной температуры.

Конвекционная пайка электроники предусматривает использование специальных камер, где температура регулируется по заданному алгоритму, либо нескольких конвейерных печей с последовательным перемещением печатных плат из одной зоны нагрева в другую. При расчете температурного профиля учитываются характеристики электронных компонентов, тип паяльной пасты, материал ПП и другие факторы.

Источником нагрева является точно сфокусированный луч лазера, который локально воздействует на отдельные контакты. Современные лазерные установки могут выполнять селективное паяние электроники со скоростью 10 выводов в секунду, что сравнимо с производительностью классического оборудования, выполняющего групповую обработку печатных плат. Такая технология позволяет создавать сложные микроэлектронные устройства и в некоторых случаях будет незаменимой. К преимуществам лазерной пайки относятся:

• отсутствие перегрева, позволяющее работать с термочувствительными элементами;
• низкий уровень окисления паяльного состава;
• изготовление ПП с очень высокой плотностью монтажа;
• пайка выводов с малым шагом без возникновения перемычек и иных дефектов;
• возможность полной автоматизации процесса, в том числе лазерный контроль соединений.

Качество конечной электроники определяется не только правильным выбором технологии пайки. Оно зависит и от расходных материалов, которые тоже должны подбираться под электронные компоненты и тип ПП.

Флюс. Он важен для любого процесса пайки, в том числе того, который осуществляется при сборке печатных плат. Основное назначение флюса – удаление оксидов с выводов компонентов и медных дорожек печатной платы. Благодаря этому значительно улучшается качество пайки. При паянии электроники чаще всего применяются такие флюсы:

• тип R – материал не активирован, используется там, где окислительные процессы минимальны;
• тип RMA – умеренно активированный флюс. Используется в местах окисления среднего уровня;
• тип RA – активированный флюс. Его применяют там, где окислительные процессы чрезвычайно сильны.

Некоторые из них растворимы в воде, не образуя осадков. Есть также материалы, которые не требуют очистки после пайки, например, No-Clean Flux.

Припой. Качество этого материала определяет срок службы любой печатной платы или электронного устройства. Различают две категории припоя для электроники:

• свинцовосодержащие. Чаще всего используется эвтектический сплав олова и свинца в соотношении 63/37. Он плавится точно при температуре +183 °С, благодаря чему его можно использовать в автоматических процессах паяния электроники;
• бессвинцовые. Так как свинец является вредным веществом и для людей, и для окружающей среды, были разработаны составы для пайки, в которые он не входит. Они плавятся при температуре около +250 °С. Наиболее востребованы припои, в которые входят олово, серебро и медь в соотношении 96,5 – 3,0 – 0,5 %.

Материалы, не содержащие свинца, дороже тех, в которых он имеется. Вторым минусом бессвинцовых припоев можно считать худшее смачивание контактных площадок по сравнению со свинцовосодержащими.