Способы монтажа

Электрический монтаж компонентов на печатной плате сводится к созданию внутрисхемных соединений, в соответствии со сборочным чертежом. Микроконтактирование в производстве функциональных узлов осуществляется обычно пайкой или сваркой, реже - с помощью электропроводящих клеев-контактолов. Основная цель при выполнении электромонтажных работ - получение механически прочных электрических соединений с низким переходным контактным сопротивлением.

Пайка - это процесс соединения материалов в твердом состоянии путем введения припоя в капиллярный зазор между ними при температуре ниже точек плавления соединяемых материалов.

Паяное соединение образуется в результате физико-химического взаимодействия в зоне контакта между припоем и соединяемыми материалами. Это взаимодействие проявляется в протекании ряда процессов при пайке (существенно влияющих на качество паяных соединений), таких как: оплавление припоя, смачивание припоем контактируемых поверхностей, растекание припоя в зоне пайки, взаиморастворение материалов на границах жидкой и твердой фаз, гетеродиффузия и кристаллизация. Завершающей стадией пайки по окончании нагрева во всех случаях является кристаллизация жидкой фазы, находящейся между соединяемыми пайкой поверхностями твердых тел, что и дает неразъемное при комнатной температуре соединение.

При контактировании сваркой наибольшее распространение получил метод термокомпрессии, сущность которого состоит в получении соединения материалов за счет пластической деформации их путем одновременного действия нагрева и давления, причем нагрев не доводит соединяемые материалы до расплавления, а лишь увеличивает их пластичность.

Основные процессы, происходящие при формировании (без оплавления) сварного соединения термокомпрессией, следующие: образование физического контакта между присоединяемыми материалами, активизация поверхностей контактируемых материалов в месте контакта, пластическое деформирование материалов в зоне контакта с разрывом связей частиц сопрягаемых поверхностей, гетеродиффузия, коллективизация валентных электронов контактирующих частиц с образованием прочных металлических связей.

В настоящее время используются различные виды термокомпрессионной сварки. Для получения электрических соединений при монтаже электронных устройств применяют в основном разновидности термокомпрессии с нагревом зоны сварки рабочим инструментом, причем в импульсном режиме. В этом случае разделяют сварку косвенным нагревом и сварку непосредственным нагревом свариваемого соединения в импульсном режиме. Сварка косвенным нагревом может быть выполнена термокарандашом или на сварочной установке с соответствующей формой электрода (разрезная игла, V-образный электрод, капилляр). Во всех случаях электрод разогревается в момент сварки.

Существенным недостатком способов микроконтактирования сваркой, требующих сварочного инструмента, является низкий уровень их автоматизации. В отдельных случаях монет быть реализована последовательно-групповая сварка, т.е. средний уровень автоматизации, но это требует дорогой оснастки (например, многоэлектродного цангового приспособления) для каждой разновидности конструкции навесного компонента.

Применение лазерной либо электроннолучевой сварки для микроконтактирования также не позволяет повысить ее уровень автоматизации выше среднего, поскольку возможности многолучевых систем ограничены и они не пригодны для реализации симультанного процесса сварки.

Наибольшее распространение при монтаже компонентов на печатную плату получил метод пайки, что обусловили ее следующие преимущества:

· Позволяет исключить повреждения полупроводниковых приборов (механические и температурные), так как можно выбрать припой с достаточно низкой температурой плавления.

· Обеспечивает хорошую ремонтопригодность радио-электронной аппаратуры.

· Обеспечивает малое переходное электрическое сопротивление и достаточную механическую прочность соединения проводников.

В настоящее время существует большое разнообразие методов пайки. Но из всего многообразия методов можно выделить следующие, так называемые основные методы пайки, т.е., которые используются чаще всего:

· пайка погружением в расплавленный припой.

· пайка волной припоя.

· пайка групповым паяльником.

· дозированная пайка.

· пайка параллельными электродами.

· паро-фазная пайка.

· пайка ОДП с инфракрасным нагревом

Кроме указанных способов пайки, в случае отсутствия необходимого оборудования или при изготовлении опытных образов, производится обычная пайка паяльником, микропаяльником, термокарандашом или другими инструментами.

Пайка погружением в расплавленный припой применяется для монтажа изделий электронной техники со штырьковыми выводами. Оборудованием служит ванна, которая оснащена нагревателем и терморегулятором, а так же механической головкой, которая осуществляет спускоподъемные операции паяемого узла. Кроме того, ванна также оснащена реле времени, чтобы погружать паяемый узел в расплавленный припой на строго определенное время. Вся установка занимает мало места, но, несмотря на это, обладает довольно высокой производительностью.

Пайка волной припоя. - Сущность метода заключается в пропускании печатной платы через гребень свободно проливающегося из щелевого сопла расплавленного припоя. Часто используют еще и дополнительную волну, наряду с основной. Это позволяет провести более качественную пайку, особенно в отношении компонентов поверхностного монтажа. Благодаря своим преимуществам (высокая производительность, относительно слабое термическое воздействие как на полупроводниковые приборы, так и на изделие вообще, высокое качество паяных соединений и т.д.) этот метод получил наиболее широкое распространение в радиоэлектронной промышленности.

Пайка групповым паяльником. - Этот способ является довольно эффективным с точки зрения повышения производительности процесса пайки планарных видов изделий электронной техники. При таком способе один или два паяльника паяют сразу все выводы изделия. Кроме того, этот метод позволяет получить паяные соединения, которые по внешнему виду и по физическим свойствам никак не отличаются от соединений паянных вручную. Производительность процесса составляет 250-300 соединений в минуту. Высокое качество пайки достигается при одновременной пайке 7-8 выводов одним паяльником. Увеличение числа одновременно паяемых выводов до 12...20 ведет к снижению качества паяных соединений. Это происходит потому, что даже у одного корпуса выводы имеют различную толщину и, вследствие этого, по-разному прилегают к паяльнику и имеют разный нагрев.

Дозированная пайка - это механический способ пайки, с использованием обычного миниатюрного паяльника. Паяльник закреплен на устройстве, которое обеспечивает его механическую подачу. Это устройство называется механизмом подачи. При движении вниз, паяльник расплавляет кусок проволочного припоя, который подается на определенную длину. Благодаря этому на жале паяльника оказывается именно та доза припоя, которая и является необходимой для пайки одного паяного соединения. Поскольку за один такт времени паяльник паяет всего одно соединение, то производительность этого метода оказывается несколько ниже, чем при использовании способа групповой пайки.

Пайка параллельными электродами - способ пайки является фактически разновидностью одностороннего контактного нагрева и основан на прямом нагреве места соединения электрическим током, который подводится через электроды термокарандаша или специального микропаяльника. Тепло, достаточное для расплавления припоя, выделяется в паяемых деталях (выводе изделий и контактной площадке) на участке межэлектродного зазора. При этом припой вводится в соединение заранее. Электроды перемещаются в вертикальной плоскости независимо друг от друга и прижимаются к выводам с некоторым усилием.

Процесс пайки компонентов, собранных на коммутационной плате, с помощью ИК нагрева аналогичен пайке ОДП в ПГС, нагрев платы с компонентами производится ИК излучением. Основным механизмом передачи тепла, используемым в установках пайки с ИК нагревом, является излучение. Передача тепла излучением имеет большое преимущество перед теплопередачей за счет теплопроводности и конвекции в описанных ранее методах, так как это единственный из механизмов теплопередачи, обеспечивающий передачу тепловой энергии по всему объему монтируемого устройства. Остальные механизмы теплопередачи обеспечивают передачу тепловой энергии только поверхности монтируемого изделия. В отличие от пайки ОДП в ПГС, в процессе пайки с ИК излучением скорость нагрева регулируется изменением мощности каждого излучателя и скорости движения транспортера с коммутационными платами. Поэтому термические напряжения в компонентах и платах могут быть снижены посредством постепенного нагрева микросборок

Рис.1.Схема установки пайки ИК излучением.

В некоторых установках для пайки с ИК нагревом вместо ламп ИК излучения применяются панельные излучающие системы. В этом случае излучение имеет намного большую длину волны, чем излучение традиционных источников.

Излучение такой излучающей системы не нагревает непосредственно микро сборку, а поглощается технологической средой, которая в свою очередь передает тепло микросборке за счет конвекции. Этот способ пайки устраняет ряд недостатков, присущих традиционной пайке с ИК нагревом, таких, как неравномерный прогрев отдельных частей микросборки и невозможность пайки компонентов в корпусах, непрозрачных для ИК излучения. Панельные излучатели имеют ограниченный срок службы и обеспечивают намного меньшую скорость нагрева, чем традиционные источники ИК излучения. Однако при их использовании может не потребоваться технологическая среда из инертного газа.

Паро-фазная пайка (для поверхностного монтажа) - этот вид пайки основан на использовании для нагрева паяемых соединений скрытой теплоты конденсации паров инертной термостойкой жидкости. Для паро-фазной пайки созданы и используются специальные жидкости, у которых температура кипения выше температуры расплавления припоя и которые практически не разлагаются при температуре плавления и не изменяют свой состав при испарении.

 

Рис.2. Схематическое представление пайки в ПГФ с использованием одной технологической среды.

Перечисленные методы пайки целесообразно использовать при серийном производстве. В случае опытного, единичного производства экономически невыгодно применять дорогостоящее специальное оборудование. Поэтому целесообразно выбрать технологический процесс монтажа печатной платы обычным паяльником, вручную, на специальном монтажном столе.

Для серийного производства разрабатываемого изделия был выбран метод пайки ОДП с инфракрасным нагревом, для монтажа поверхностно-монтируемых компонентов, так как в разрабатываемом изделии используется только поверхностно монтируемые компоненты (кроме вилки), метод ОДП в парогазовой среде не подходит, т.к. используются компоненты в корпусе BGA.