Metódy spájkovania dosiek plošných spojov používaných v priemysle

Metódy spájkovania dosiek plošných spojov používaných v priemysle
Elektrolab Pridal  Elektrolab
  124 zobrazení
3
 0
Výrobné postupy a návody

Audio verzia článku generovaná pomocou TTS. Pre prehratie stlačte tlačidlo prehrávania.


Predpokladajme, že dokonale ovládate všetky bežné techniky spájkovania v pohodlí vašej dielne, alebo pracoviska, ale poznáte techniky spájkovania dosiek plošných spojov, ktoré sa používajú vo väčšom meradle - napríklad v priemysle? Ak nie, tak sa na ne môžme pozrieť a popísať si ich.

Spájkovanie pretavením

Spájkovanie pretavením je proces spájkovania, ktorý sa používa na spájkovanie komponentov na doske s plošnými spojmi. Zmes spájkovacej pasty a tavidla sa nanesie na dosku plošných spojov v mieste, kde je potrebné pripojiť vodiče súčiastky k medeným stopám. Pasta je lepkavá, takže súčiastky priľnú k doske. Doska plošných spojov sa potom pretaví cez pretavovaciu pec, v ktorej sa udržiava určitá teplota, ktorá vedie k vytvoreniu spájkovaných spojov.

Proces spájkovania pretavením pozostáva zo štyroch fáz - predhrievania, namáčania, pretavovania a chladenia. Všetky štyri fázy majú starostlivo kontrolovaný teplotný gradient meraný v stupňoch Celzia za sekundu, ktorý je podľa normy IPC-7530 stanovený na približne 3 stupne Celzia za sekundu.

Vo fáze predohrevu sa dosky plošných spojov lineárne zahrievajú, pričom cieľom je dostať dosky plošných spojov na teplotu namáčania bez akéhokoľvek praskania alebo deformácie integrovaných obvodov a dosky plošných spojov. Tento krok je dôležitý aj preto, aby sa mohla odparovať prchavá kvapalina zachytená v spájke alebo v doske plošných spojov.

Dosky plošných spojov potom zostanú pri teplote namáčania 60 až 120 sekúnd, kým všetky časti dosiek nemajú rovnakú teplotu. Doska je teraz pripravená a môže sa začať proces pretavovania. Počas procesu pretavovania sa doska udržiava na teplote približne o 5 stupňov Celzia nižšej, ako je najnižšia hodnota poruchovej teploty súčiastky, ktorá je na ňu umiestnená, ale o 20 až 40 stupňov Celzia vyššej, ako je teplota potrebná na roztavenie spájky a umožnenie "zmáčania", ako je stanovené v IPC-7530. DPS potom prejde do fázy chladenia, ktorá prebieha rýchlosťou 4 stupne Celzia za sekundu.

Je dôležité zabezpečiť, aby teplotný gradient nebol veľmi strmý. Ak zmena teploty prebehne príliš rýchlo, na súčiastkach na DPS sa vyskytnú problémy, ako sú studené spájkované spoje, zuhoľnatené dosky a nerovnomerné zmáčanie. Aby sa predišlo týmto problémom, najčastejší čas namáčania je 30 sekúnd až 2,5 minúty.

Typy spájkovania pretavením

Existuje mnoho rôznych typov spájkovania pretavením. Niektoré najbežnejšie z nich si popíšeme nižšie.

Infračervené pretavovanie

Pri tejto metóde sa PCBA prechádza pod infračervenou lampou. Vzdialenosť medzi lampou a osadenou doskou plošného spoja je 5 cm. Teplo z vyžarovaného žiarenia sa využíva na roztavenie spájkovacej pasty a následne na vytvorenie spájkovacieho spoja po stuhnutí.

Infračervené žiarenie je elektromagnetické žiarenie nachádzajúce sa medzi mikrovlnami a viditeľným svetlom. Typ použitého žiariča určuje vlnovú dĺžku infračerveného žiarenia použitého na pretavenie. Použitie infračerveného ohrevu na pretavovanie umožňuje lepšiu kontrolu nad množstvom vyžarovanej prenikajúcej energie, ktorá je veľmi potrebná na rovnomerné zvýšenie teploty. Ďaleké infračervené žiarenie zabraňuje efektu tieňovania a nie je citlivé na farbu. Použitie tejto metódy zvyšuje tepelný tok, pretože ohrieva aj okolitý vzduch vo vnútri pece.

Pretavovanie v parnej fáze

Pri tejto metóde je komora na pretavovanie naplnená inertnou uhľovodíkovou parou. Uhľovodík je v komore prítomný v kvapalnej fáze, ale po zahriatí sa mení na parnú fázu a táto horúca para pri teplote 250 stupňov Celzia sa používa na zahriatie spájkovacej pasty, ktorá po stuhnutí vytvára spájkované spoje. Rovnovážna a maximálna povolená teplota vo vnútri pece je funkciou bodu varu primárneho uhľovodíka použitého na tento proces, čo znamená, že proces je nezávislý od umiestnenia a konfigurácie komponentov na doske plošných spojov. Pokiaľ je k dispozícii dostatočný čas na namáčanie, nedochádza k žiadnemu efektu "tombstoningu" alebo tieňovania. Tento typ pretavovania je užitočný pre nízkoobjemový a vysoko zmiešavaný typ dosiek plošných spojov. Množstvo tavidla, ktoré sa musí použiť, je mierne, pretože toto pretavovanie prebieha v prostredí bez kyslíka, keďže všetko je vylúčené inertnými fluorouhlíkovými parami.

Nútené konvekčné pretavovanie

Táto metóda je podobná pretavovaniu v parnej fáze, pričom jeden hlavný rozdiel spočíva v tom, že namiesto uhľovodíkovej pary, ktorá sa používa na ohrev spájkovacej pasty, sa pri tejto metóde na roztavenie spájkovacej pasty používa horúci vzduch, ktorý sa fúka kolmo na povrch dosky plošného spoja.

Táto metóda využíva nútenú konvekciu v hornej a dolnej časti komory. Pri tejto metóde sa používa ohrievač typu perforovaného panelu s plénom za ním. Ohriaty vzduch sa posiela nad dosku pločného spoja, aby sa spájka roztopila, a potom sa odsáva kanálmi medzi perforovanými panelmi. V peciach vyššej triedy sa používa technika prúdenia plynu kolmo na povrch dosky, ktorá zabezpečuje jej rovnomerný ohrev.

Nevýhodou tohto spôsobu je, že na ohrev sa používa veľké množstvo plynu. Zabezpečenie bezkyslíkového vzduchu je tiež výzvou, ktorá zvyšuje náklady. V porovnaní s metódou infračerveného pretavovania to spôsobuje guľôčkovanie spájky a určité problémy so zmáčaním.

In-line kondukčné pretavovanie

Tento systém využíva vyhrievaný pás, ktorý ohrieva dosky plošných spojov zo spodnej strany. Pás je vyrobený zo sklených vlákien impregnovaných teflónom. Do všetkých teflónových pásov sa pridáva uhlík, aby boli elektricky vodivé. To umožňuje vonkajšie uzemnenie pásu pomocou stieracej kefky. Tento systém využíva infračervený ohrievací prvok na ohrev dosky plošného spoja z hornej strany, pričom pás sa používa na ohrev dosky zo spodnej strany.

Pretavovanie horúcou tyčou

Táto metóda je podobná infračervenému pretavovaniu, pričom hlavný rozdiel spočíva v tom, že namiesto lámp, ktoré vyžarujú infračervené žiarenie, sa na ohrev povrchu dosky používajú svetlá. Táto metóda využíva staromódnejší odporový ohrievací prvok. Ide teda o typ odporového spájkovacieho zariadenia, ktorý používa elektródu na báze molybdénu. Komponenty sa umiestňujú na vytlačenú spájkovaciu pastu alebo sa ponárajú do spájky, aby sa napomohlo stekaniu spájky po hornom povrchu vývodu. Na ohrev hornej strany vývodu sa používa impulzný ohrev.

Laserové pretavovanie

Tento systém využíva svetlo určitej vlnovej dĺžky vyžarované laserom alebo svetlo vyžarované Nd:YAG laserom. Ide o najlepší proces na pripojenie zariadení citlivých na teplo, pretože teplo sa aplikuje len na vývod, kde sa nachádza spájka. Je tiež najvhodnejší pre komponenty s vysokou hustotou. Je to jedna z mála techník, ktorá spájkuje komponenty už pripojené k chladiču a tiež tepelné trubice.

Spájkovanie vlnou

Spájkovanie vlnou je proces spájkovania komponentov s priechodnými otvormi na doske plošných spojov prechodom obnažených vodičov komponentov umiestnených na doske cez vlnu roztavenej spájky. Spájkovacia vlna prúdi pod doskou plošných spojov a nanáša spájku na vodiče súčiastok umiestnených na doske plošných spojov. Používa sa predovšetkým na spájkovanie komponentov s priechodnými otvormi na doskách plošných spojov. Zvyčajne sa nepoužíva na spájkovanie komponentov pre povrchovú montáž. Ak chcete spájkovať komponenty na povrchovú montáž na doske plošných spojov, môžete použiť iné procesy spájkovania, ako je napríklad spájkovanie pretavovaním.

Vlnové spájkovanie bolo vyvinuté v roku 1956. V tom čase sa väčšina komponentov spájkovala ručne, čo bolo veľmi zdĺhavé a časovo náročné. Nápad prechádzať doskou plošných spojov cez vlnu roztavenej spájky sa zdal byť dobrý a fungoval dobre, keďže väčšina/všetky vtedajšie komponenty boli priechodné s veľmi dlhými vodičmi.

Proces spájkovania vlnou pozostáva zo štyroch hlavných krokov:

Krok 1: Nanášanie fluxu / tavidla

Spájkovacie tavidlo je chemický čistiaci prostriedok, ktorý sa používa pri spájkovaní elektronických komponentov na dosky s plošnými spojmi. Nanáša sa na dosku, aby sa zabránilo oxidácii medených stôp pri pôsobení vzduchu. Je to veľmi dôležitý proces, ktorý je potrebný na zabezpečenie spoľahlivého a konzistentného fungovania dosky plošných spojov. V prípade spájkovania vlnou sa Flux aplikuje na spodnú časť dosky predtým, ako sa PCB pošle cez spájkovaciu vlnu.

Krok 2: Predhriatie

Predhriatie dosky sa aplikuje po nanesení tavidla na dosku plošného spoja. Je dôležité zohriať spodnú stranu dosky na teplotu približne 80 - 100 stupňov Celzia. To umožní odparenie všetkých rozpúšťadiel prítomných v tavidle. Tavidlo aplikované akoukoľvek metódou sa zmieša s rozpúšťadlom, aby sa uľahčil proces nanášania, pretože rozpúšťadlo znižuje viskozitu tavidla. Tavidlo bez rozpúšťadla je veľmi lepkavá látka. Toto rozpúšťadlo je zvyčajne nejaká prchavá organická zlúčenina, ktorá je horľavá. To si vyžaduje odstránenie rozpúšťadla predtým, ako sa spodná strana dosky dostane do kontaktu s veľmi horúcou spájkovacou vlnou. Preto sa celá doska podrobuje fáze predhrievania, aby sa minimalizovala pravdepodobnosť, že PCB zahorí.

Počas fázy predohrevu prechádza fluxovaná doska cez sústavu infračervených ohrievačov. Tieto ohrievače majú za sebou panel odrážajúci teplo. Medzi dosky a ohrievače sa vháňa jemný závan vzduchu. Tým sa zvyšuje rýchlosť odstraňovania vzduchu s rozpúšťadlom. Teplo odrážajúci panel za ohrievačom nielen odráža teplo, ale aj šetrí tepelnú energiu tým, že znižuje teplotný rozdiel medzi spodnou a vrchnou stranou dosky.

Krok 3: Prechod spájkovacou vlnou

Doska s plošnými spojmi sa následne prechádza spájkovacou vlnou. Na zabezpečenie dobrého spojenia musí roztavená spájka dopadnúť na dosku s maximálnou kinetickou energiou. To sa dá dosiahnuť, keď sa spájkovacia vlna stretne s vodičmi priechodných komponentov práve v okamihu, keď sa chystá stúpať. Hrebeň vlny je jej najvyšší bod.

Teraz spájkovacia vlna pokrýva vývody všetkých priechodných komponentov a spája ich s doskou plošných spojov.

Spájkovacia vlna sa vytvára vytláčaním roztavenej spájky smerom nahor cez vertikálny kanál. Táto vlna roztavenej spájky vychádza z vertikálneho kanála, ktorý sa nazýva vlnová dýza. Táto vlnová dýza je tvorená úzkymi štrbinami usporiadanými v pravom uhle k sebe. Na poháňanie spájky smerom nahor sa používa axiálne obežné koleso poháňané motorom s premenlivými otáčkami.

Vlna sa vytvára tavením spájkovacích ingotov vo vlnovej nádrži. Zásobník roztavenej spájky sa udržiava na teplote približne 250 stupňov Celzia. Táto teplota bola všeobecne prijatá ako štandardná teplota na udržiavanie roztavenej spájky. Ak sa použije akýkoľvek nový typ spájky, teplota spájkovacieho kúpeľa sa musí zmeniť, pretože účinnosť tavidla je silne závislá od teploty.

Krok 4: Chladenie

Po prechode dosky plošných spojov cez vlnu roztavenej spájky musí doska vychladnúť, aby sa mohli vytvoriť spájkované spoje. Pri ochladzovaní dosky po procese spájkovania vlnou je dôležité udržiavať postupný teplotný spád. Teplotný gradient chladenia sa volí tak, aby nedošlo k náhlemu stuhnutiu spájkovaných spojov a k ich neželanému praskaniu. Táto rýchlosť/gradient chladenia by sa mali zvoliť tak, aby sa znížili tepelno-mechanické sily vznikajúce na doske v dôsledku teplotných rozdielov. Toto rovnomerné chladenie sa môže dosiahnuť cirkuláciou studeného vzduchu s nulovým obsahom kyslíka. Tento chladnejší vzduch musí tiež sledovať gradient ochladzovania úmerný gradientu ochladzovania, ktorý sa musí vyvolať na doske a súčiastkach na nej.

Názorná ukážka spájkovania vlnou spoločnosti Agrowtek

Spájkovanie vlnou bolo v čase svojho vynálezu prelomovým technologickým procesom. Bolo to spôsobené vysokou priepustnosťou a objemovými možnosťami tohto procesu. Postupom času však s rozvojom technológie a zmenšovaním súčiastok/dosiek začali súčiastky pre povrchovú montáž nahrádzať súčiastky s priechodnými otvormi. To malo za následok potrebu iných spájkovacích procesov, ako je napríklad spájkovanie pretavením.

Spájkovanie vlnou sa používa dodnes. Existuje množstvo prípadov, keď potrebujeme použiť komponenty s priechodnými otvormi a tento proces spájkovania je stále veľmi bežný.

Informácia : Pokiaľ sa vám článok páčil, informácie v ňom boli pre vás užitočné a máte záujem o viac takýchto článkov, podporte drobnou sumou jeho autora. Ďakujeme
Máte aj vy zaujímavú konštrukciu, alebo článok?

Máte aj vy zaujímavú konštrukciu, alebo článok a chceli by ste sa o to podeliť s viac ako 250.000 čitateľmi? Tak neváhajte a dajte nám vedieť, radi ju uverejníme a to vrátane obrazových a video príloh. Rovnako uvítame aj autorov teoretických článkov, či autorov zaujímavých videí z oblasti elektroniky / elektrotechniky.

Kontaktujte nás!


Páčil sa Vám článok? Pridajte k nemu hodnotenie, alebo podporte jeho autora.
 

     

Komentáre k článku

Zatiaľ nebol pridaný žiadny komentár k článku. Pridáte prvý? Berte prosím na vedomie, že za obsah komentára je zodpovedný užívateľ, nie prevádzkovateľ týchto stránok.
Pre komentovanie sa musíte prihlásiť.

Vyhľadajte niečo na našom blogu

PCBWay Promo

JLCPCB Promo
PCBWay Promo

JLCPCB Promo
PCBWay Promo

JLCPCB Promo
Webwiki Button