Учебник по Технологии

Соляная

ванна

Вибратор

Плата

ТПрипой

Электронагреватель

Рис. 65. Групповая пайка погружением

Наиболее совершенным способом реализации пайки погружением является пайка протягиванием, при которой ПП укладывается в держатель под углом около 5°, погружается в ванну и протягивается по зеркалу припоя. Впереди держателя имеется закрепленный скребок, который очищает поверхность зеркала от пленки окислов. Создаются благоприятные условия для удаления флюса и излишков припоя. Время пайки протягиванием увеличивается до 10 с.

Предохранение плат от загрязнения окисной пленкой при пайке погружением достигается либо применением автоматических очистителей зеркала ванны, либо специальной конструкцией кожуха кассеты платы.

Для снижения расхода припоя и уменьшения воздействия тепла плата закрывается защитной маской из лакоткани, стеклоткани, кремния, органической резины, бумаги или специальных защитных покрытий.

При избирательной пайке в каждую точку платы, подлежащую пайке, подается через специальную фильеру расплавленный припой (рис. 66).

Плату с установленными элементами и нанесенным на местах пайки флюсом помещают на фильеру и прижимают к ней упорами для создания условий, исключающих захват припоем газообразного флюса. Припою от специального вибратора сообщают колебания удвоенной промышленной частоты. Поршнем припой поднимается к местам пайки.

310

вибраторВибратор	Поршень
	поршень
фильераФильера
припойПрипой
нагревател	элементы
Нагревательныеэлементы
Рис. 66. Избирательная групповая пайка элементов
с радиальными выводами

Избирательная пайка обеспечивает выборочную подачу припоя к паяемым контактам через специальную фильеру, изготовленную из нержавеющей стали. Между платой и фильерой зажимается слой термостойкой резины. При избирательной пайке уменьшается температура платы, снижаются нагрев радиоэлементов и расход припоя. Применяют ее в условиях массового производства, когда изготовление специальной фильеры экономически целесообразно.

Высокое качество пайки обеспечивает способ погружения платы в заполненную сеткой (например, из никеля с размером окон 0,2×0,2 мм) ванну, которая превращается в капиллярный питатель. При соприкосновении платы с сеткой припой выдавливается через ее ячейки и под давлением капиллярного эффекта заходит в зазор между выводами и металлизированными отверстиями. При обратном движении ванны избыток припоя затягивается капиллярами сеточного набора, что предотвращает образование сосулек. Различие в длине выводов не сказывается на качестве пайки из-за гибкости сетки.

311

При пайке волной припоя печатная плата с ЭРЭ, защищенная маской после нанесения флюса, перемещается над волной (вернее гребнем) припоя (рис. 67).

		Vк		Vк
		V		V
		К		К
					β
	V	β		B	V
					VВB
	VВB	B		В
		В
	A			A
V	А		V	А
VА
A			VАA
		VФф		VФ
				ф

а)

б)

Рис. 67. Схема взаимодействия расплавленного припоя с паяемой платой при односторонней (а) и двусторонней (б) волнах

Особенности взаимодействия расплавленного припоя с платой рассмотрим для односторонней и двусторонней волн. Процесс пайки состоит из трех этапов: вхождение в припой (точка А), контактирование с припоем (отрезок АВ) и выход из припоя (точка В). На первом этапе направление скорости фонтанирования волны VА способствует удалению паров флюса из зоны реакции как при симметричной двусторонней, так и при направленной односторонней параболической волне.

На втором этапе полоса растекания припоя по плате АВ в сочетании со скоростью конвейера Vк определяет время пайки. При двусторонней волне это время больше за счет достижения более полного заполнения припоем металлизированных отверстий. Увеличение времени взаимодействия, однако, повышает толщину припоя на печатных проводниках до некоторого предела.

Окончательное формирование толщины слоя происходит на выходе платы из волны припоя в точке В. При этом в односторонней волне предельная составляющая скорости фонтанирования VB

312

вычитается из скорости конвейера, смывает излишки припоя и утоньшает оставшийся слой припоя.

В двусторонней волне скорость VB складывается со скоростью конвейера Vк и способствует образованию наплывов. Таким образом, в двусторонней волне необходимо стремиться к повышению угла наклона β, увеличению крутизны волны и уменьшению скорости истечения припоя Vф. При односторонней волне более благоприятными являются горизонтальное положение конвейера, пологая форма и возможно большая скорость циркуляции припоя.

Глубина «ныряния» обычно составляет от 0,6 до 0,8 h, где h – толщина основания печатной платы, но может достигать 1,5–2 толщины с носовым козырьком в передней части кассеты.

Дельта-волна характеризуется стоком припоя в одну сторону, для чего одна стенка сопла выполнена удлиненной (рис. 68). Это уменьшает окисление припоя, однако делает чувствительным изменение высоты волны от напора нагнетателя припоя. Более целесообразна в этом отношении «отраженная» волна (см. рис. 68). Здесь за счет применения наклонного отражателя с одной стороны сопла обеспечивается удержание большего количества припоя, чем при дельта-волне, а его сток регулируется изменением угла наклона отражателя и зазором между соплом и отражателем.

1

2

3

Рис. 68. Пайка двойной волной припоя

313

Волна припоя в ванне создается над щелевым зазором массивного магнитопровода. При этом мощное магнитное поле индуцирует в расплавленном припое токи большой силы. Возникающие токи создают собственное магнитное поле, направленное противоположно полю в щелевом зазоре. Противоположно направленные магнитные поля отталкиваются, в результате этого расплавленный припой выбрасывается из щелевого зазора в виде волны (гребня).

При этом потери электрической мощности превращаются в тепло и используются для нагрева припоя.

Одним из перспективных направлений стала групповая пайка с предварительным нанесением фиксированных доз припоя. Преимуществами данного направления являются строгое дозирование припоя, локализация теплового воздействия, возможность применения его для плат с двусторонним монтажом и для соединения схем с планарными выводами. Это определяет расширяющуюся область применения такой групповой пайки, несмотря на крупный недостаток – введение дополнительной операции предварительного нанесения припоя в места пайки.

Современные методы групповой пайки в производстве РЭС классифицируются по источникам тепловой энергии, являющимся главным фактором при формировании паяных соединений. Пайка элементов со штыревыми выводами, установленными на ПП, в условиях поточного производства проводится двумя основными методами: погружением и волной припоя. При пайке ПП со смонтированными элементами на 2–4 с погружается в расплавленный припой на глубину 0,4–0,6 ее толщины, что приводит к капиллярному течению припоя и заполнению им монтажных отверстий. Одновременное воздействие температуры на всю поверхность платы приводит к ее перегреву и термоудару. Это вызывает повышенное коробление ПП, что ограничивает их максимальный размер 150 мм с соотношением сторон 1/2. Чтобы ограничить зону действия припоя, на плату с монтажной стороны наносят специальную защитную маску (бумажную, эпоксидную), в которой предусмотрены отверстия под контактные площадки. С этой же целью температуру пайки выбирают более низкой, что также уменьшает потери припоя из-за окисления. Продукты окисления скапливаются на поверхности, и перед каждой пайкой их удаляют металлическим скребком. Частицы растворителя

314

флюса, попавшие в припой, интенсивно испаряются, что приводит к локальным непропаям. Для уменьшения числа непропаянных соединений применяют пайку погружением с наклоном (5–7°) платы или на плату подают механические колебания частотой 50–200 Гц и амплитудой 0,5–1 мм.

Пайка волной припоя является самым распространенным методом групповой пайки. Она заключается в том, что плата прямолинейно перемещается через гребень волны припоя. Ее преимуществами являются: высокая производительность, возможность создания комплексно-автоматизированного оборудования, ограниченное время взаимодействия припоя с платой, что снижает термоудар, коробление диэлектрика, перегрев элементов. Главным условием высокой разрешающей способности пайки волной припоя, позволяющей без перемычек, мостиков и сосулек припоя паять платы с малыми зазорами между печатными проводниками, является создание тонкого и равномерного слоя припоя на проводниках.

Основным параметром, определяющим качество пайки, являются способ создания и, как следствие, форма волны. Далее представлены установки с различными типами волн (рис. 69−73).

1

2

3

4

5

6 7

Рис. 69. Пайка дуговой волной припоя:

1 – направление перемещения платы при пайке; 2 – паяемая плата; 3 – волна припоя; 4 – расплавленный припой; 5 – направляющие потока припоя; 6 – нагнетатель; 7 – ванна

315

1

2

3

4

5

7

6

Рис. 70. Пайка дельта-волной припоя:

1 – направление перемещения платы при пайке; 2 – паяемая плата; 3 – волна припоя; 4 – расплавленный припой; 5 – направляющие потока припоя; 6 – нагнетатель; 7 – ванна

1 2 3 4 5

7

6

Рис. 71. Пайка плоской волной припоя:

1 – направление перемещения платы при пайке; 2 – паяемая плата; 3 – волна припоя; 4 – расплавленный припой; 5 – направляющие потока припоя; 6 – нагнетатель; 7 – ванна

316

1

2

3

4

5

7

6

Рис. 72. Пайка модифицированной плоской волной припоя:

1 – направление перемещения платы при пайке; 2 – паяемая плата; 3 – волна припоя; 4 – расплавленный припой; 5 – направляющие потока припоя; 6 – нагнетатель; 7 – ванна

1

2

3

4

5

7

6

Рис. 73. Пайка со вторичной волной припоя:

1 – направление перемещения платы при пайке; 2 – паяемая плата; 3 – волна припоя; 4 – расплавленный припой; 5 – направляющие потока припоя; 6 – нагнетатель; 7 – ванна

Для образования волны припоя в установках преимущественно используют механические нагнетатели, давление воздуха или газа, ультразвуковые колебания и электромагнитные нагнетатели.

317

Увеличение ширины волны в направлении движения печатной платы дает положительный эффект в повышении качества пайки при меньшей температуре припоя. Метод пайки со вторичной волной обеспечивает наилучшее качество пайки из всех перечисленных. Метод позволяет точно дозировать количество припоя на КП. Вторичная волна устраняет наплывы и сосульки, образованные первой волной. Таким образом, этот метод наиболее приемлем для производства.

Внастоящее время широкое применение в технологии РЭС получают методы пайки концентрированными потоками энергии, достоинством которых являются высокая интенсивность, бесконтактное воздействие источника нагрева на зону контактирования, ограниченная зона теплового воздействия. Разработанные методы активируют не только систему «припой – паяемый материал», но и процессы их физико-химического взаимодействия, что приводит к интенсификации процессов пайки. Пайку элементов с планарными выводами проводят следующими методами: нагретым V-образным инструментом, горячим газом, в парах специальной жидкости, ИК-излу- чением, токами высокой частоты, лазерным излучением и др.

4.3.4.Пайка алюминия и его сплавов

Впрактике конструирования РЭС очень часто требуется выполнить соединения алюминиевых деталей с помощью пайки в связи с тем, что крепление детали винтами или заклепками не обеспечивает требуемого постоянства электрического контакта, а сваркой не удается воспользоваться по конструктивным или технологическим соображениям.

Вместе с тем процесс пайки алюминия достаточно труден, что является одной из причин, ограничивающих ее использование. Другая, не менее серьезная причина состоит в том, что место пайки, если не принять соответствующих мер, сильно разрушается коррозией.

Большой контактный потенциал алюминия (–1,3 В) исключает возможность применения многих припоев, в частности, почти всех припоев, сформированных на основе алюминия. Отсутствие алюминиевых припоев с относительно низкой температурой плавления, не вызывающих в дальнейшем коррозии в месте пайки, пожалуй, является самым важным фактором, ограничивающим использование пайки алюминия. Процесс пайки осложняется и вследствие на-

318

личия на его поверхности трудно удаляемых окислов. Высокая теплопроводность алюминия требует приложения при пайке источников тепла значительной мощности.

Для пайки алюминия легкоплавкими припоями был рекомендован органический флюс, состоящий из 86,4 % триэтаноламина, 8,6 % фторбората алюминия и 5 % фторбората кадмия. При этом температура пайки 275 ° С.

Особое внимание при пайке алюминия должно обращаться на подготовку поверхностей деталей. Обычные листовые заготовки не требуют специальной обработки, за исключением удаления (в растворителе) тонкого защитного слоя смазки.

Для штампованных деталей обязательно требуется травление в щелочных ваннах. Детали, выполненные путем выдавки, обычно имеют толстую окисную пленку и выдавленные посторонние частицы. Здесь требуется механическая очистка с последующей обработкой в щелочи.

Конструкции соединений предпочитаются нахлесточные. Однако при применении паяного соединения следует избегать давления на детали или затяжки их при сборке узла. Величина нахлестки такая же, как и у других металлов. При соединении листов толщиной менее 1 мм нахлестка должна быть больше семи толщин, а при соединении листов более 1 мм – не более 3–4 толщин.

Для алюминия не требуется упрочнения паяного соединения применением большой нахлестки, так как предел прочности соединения при нормальной пайке (10–12 кг/мм2) превышает прочность отожженного алюминия.

Рассмотрим состав цинковых и алюминиевых припоев для пайки алюминия и его сплавов. В табл. 27 приведен химический состав некоторых из них.

						Таблица 27
	Химический состав припоев для пайки алюминия
Марка			Состав, %				t, °С
припоя	Zn	Cu	Pb	Sn	Al
Б	80	8	–	–	12		300
ПЦАМ-60	64–55	14–15	–	–	22–30		300
Эвтектика	95	–	–	–	5		380
В-63	85	5	1,4	0,6	8		370

319