Что такое селективная пайка
Селективная пайка
Рус.: Селективная пайка
En.: Selective Soldering
Селективная пайка – метод пайки, при котором воздействию припоя подвергаются только места определенных будущих паяных соединений. Метод применяется в технологии монтажа в отверстия. Селективная пайка позволяет осуществлять пайку отдельных компонентов, не воздействуя на остальные.
Селективная пайка подобна пайке волной припоя, однако волна имеет малые размеры и воздействует только на область будущего соединения. Процесс может быть организован двумя способами: с помощью одного сопла, перемещаемого по программе, либо с помощью оснастки, образующей волны в местах всех паяных соединений. Первый метод более гибок и предпочтителен для мелкосерийного производства, второй метод обладает высокой производительностью, но отличается высокими начальными затратами при запуске нового изделия.
В настоящее время селективная пайка получает все большее распространение благодаря тому, что на современных платах количество компонентов, монтируемых в отверстия, невелико, и пайка волной становится нецелесообразной. Селективной пайкой также может считаться контактная пайка роботами.
(c) «Производственная компания Альтоника» 2010-2021
Центральный офис
115230, Москва, Варшавское шоссе, д. 42 (схема проезда)
Производство
г. Москва, Зеленоградский Административный округ,Сосновая аллея д.6а, строение 2 (схема проезда)
Селективная пайка – возможности и преимущества
Алексей Попков
Если посмотреть на развитие технологических процессов в электронной промышленности за последние годы, то можно отметить устойчивую тенденцию все более широкого применения печей конвекционного оплавления, которое связано с переходом предприятий на технологию поверхностного монтажа. Все реже применяются и материалы, имеющие в своем составе свинец. Но для большинства российских предприятий невозможно полностью уйти от ТНТ технологии и применения свинцовосодержащих материалов.
Долгое время популярным решением пайки ТНТ компонентов оставались системы пайки волной. С усовершенствованием технологии и оптимизацией процесса разработчики систем обратили внимание на целесообразность применения машин пайки волной. С появлением систем селективной пайки удалось решить следующие задачи:
В течение длительного времени считалось вполне приемлемым паять отдельные компоненты вручную, но благодаря постоянно растущим требованиям по повышению качества продукции и снижению временных затрат на производственные операции, уменьшению неконтролируемых операций, появляются потребности в новых и более соответствующих данным требованиям технологиях производства.
В частности, SMD компоненты можно паять с использованием систем конвекционной пайки. Преимуществом данного метода является одновременная пайка всех установленных компонентов, что в свою очередь снижает стоимость изделий до минимума.
В то же время технология конвекционной пайки имеет ограничения по применению при использовании чувствительных к превышению температуры компонентов поверхностного монтажа.
Дополнительно необходимо учитывать много факторов при использовании систем конвекционной пайки и выборе соответствующего термопрофиля — размеры выводов, контактных площадок, компонентов, количество нанесенной паяльной пасты и т. д.
Селективная пайка — возможности конфигурации
Основной конструктив машины — мощная стальная рама. В данном блоке все оси жестко зафиксированы для каждого модуля (конвейер, зона предварительного нагрева, блок флюсования и блок пайки). Такое жесткое выравнивание по осям обеспечивает высокую точность в позиционировании и надежности работы машины и удовлетворяет все требования, предъявляемые к селективной пайке.
В стандартной машине (рис. 1) плата перемещается над модулем предварительного нагрева, что гарантирует рациональную передачу тепла. После этого механизм захвата берет плату и перемещает ее через устройство флюсования в модуль пайки. В то время как происходит процесс пайки, следующая ПП уже находится в зоне предварительного нагрева, поэтому время прохождения зоны предварительного нагрева не влияет на общее время производительности.
Для достижения наиболее короткого времени рабочего цикла процесс флюсования может выполняться отдельно стоящим внешним координатным модулем флюсования. Совместно с процессом пайки погружением, применение данного модуля флюсования сокращает длительность времени рабочего цикла и не превышает 20 с даже для сложных ПП, с высокой плотностью монтажа.
Моторизованный цепной/роликовый конвейер на входе и выходе системы позволяет проводить одновременную обработку следующих процессов:
В результате значительно уменьшается время цикла.
Устройство перемещения ПП в системе
Обработка изделий в течение процесса флюсования и пайки выполняется при помощи осевой системы перемещения ПП (роботизированная рука с сервоприводами) (рис. 2). Это гарантирует точное позиционирование (0,1 мм) и высокую надежность при перемещении. В некоторых машинах применяется система перемещения SCARA (EPSON) Robot (рис. 3), в таком случае точность позиционирования достигает 0,05 мм при постоянной повторяемости процесса. Машины с осевой системой или роботом имеют систему захватов, которая загружает плату
в машину из конвейерной линии и по окончании процесса пайки выгружает плату обратно в линию.
Система захвата ПП позволяет применять при работе в одной машине различные флюсующие устройства и модули пайки, к примеру, модули миниволны или модули для пайки погружением. Выше приведенные процессы пайки могут также использоваться в дополнение к обычной пайке волной и при одновременном использовании существенно снижают время рабочего цикла.
Устройство захвата и перемещения по осям или при помощи робота состоит из двух основных узлов: зажимной головки с пневматическим наклоном и функцией поворота и системой зажимов. В свою очередь, зажимы могут быть для ПП, гибких ПП или для ПП, подаваемых в паллетах.
Модульная структура установок дает возможность сконфигурировать машину для любых производственных требований. Например, сделать упор на максимальную гибкость системы или высокую производительность. Такая возможность появляется при конфигурации различных модулей предварительного нагрева, флюсования и пайки.
В зависимости от требований могут применяться различные типы захватов: зажимами, натяжителями, вакуумом. Также может быть использован обычный захват или специализированная паллета.
В систему можно устанавливать регулируемые захваты для частичной обработки плат. Обрабатываемая плата может переворачиваться на 180° — это дает возможность обработки верхней и нижней ее сторон.
Системы селективной пайки с использованием миниволны и захватов для перемещения обрабатываемых плат показали себя как надежные, высокоточные системы селективной пайки с высоким качеством обработки плат (рис. 4).
Селективная пайка: как еще можно увеличить производительность?
Несмотря на всю популярность технологии поверхностного монтажа, выводной монтаж все еще широко используется при сборке электронных изделий. По ряду экономических и технологических причин при работе с изделиями со смешанным монтажом компонентов в некоторых случаях наиболее выгодным является применение систем селективной пайки. Но как у любой технологии, у селективной пайки также есть свои сложности, решение которых — первоочередная задача производителей оборудования.
Поверхностный монтаж давно овладел умами современных технологов и производственников благодаря своей технологичности, а также тому, что позволяет работать с изделиями существенно меньших размеров, обеспечивает отличную производительность и повторяемость, а при правильном подходе — и надежность. В результате внедрения технологии поверхностного монтажа некогда собираемые на выводных компонентах изделия были переработаны под поверхностный монтаж. Но окончательно избавиться от монтажа выводных компонентов не удалось, и технологи постоянно пытаются усовершенствовать и этот процесс пайки. Ведь ручная пайка не обеспечивает повторяемости и надежности. Да и стоит этот процесс все дороже и дороже. Технология пайки волной также оказалась не самой эффективной в первую очередь из-за количества образующихся дефектов. Более того, осталось совсем немного изделий, позволяющих применять волну без дополнительных манипуляций, как то: нанесение защитных покрытий туда, куда припой не должен проникнуть, и подклеивание SMD-компонентов, которые в противном случае будут смыты волной припоя.
И решение нашлось. Точнее, оно существовало уже давно, но не получало широкого применения. И это решение — селективная пайка. Такие неоспоримые достоинства, как великолепная повторяемость процесса, отличная надежность соединения, а при грамотном подходе и отсутствие дефектов, позволяют считать селективную пайку весьма перспективной технологией. Однако есть одно но… Производительность! Производительность, которая всегда была узким местом селективной пайки, делала процесс нерентабельным и препятствовала внедрению технологии во многих организациях, вынуждая мириться с недостатками ручной пайки или пайки волной. Безусловно, существует групповая пайка окунанием, иногда обеспечивающая производительность выше пайки волной, однако целесообразно применять такой метод пайки только в случае, когда серийность изделия исчисляется сотнями тысяч, а номенклатура изделий составляет всего 2—3 типа. В противном случае стоимость оснастки и время переналадки на новое изделие сведут на нет все достоинства этой технологии.
Именно за производительность систем селективной пайки борются многие производители соответствующего оборудования. И некоторые успехи на этом поприще есть.
Так, производственникам хорошо известны и успешно применяются наконечники-волнообразователи, увеличивающие производительность пайки. Например, наконечник, образующий волну, аналогичную применяемой в установках пайки волной (см. рис. 1). Такой наконечник можно использовать для пайки широкой полосы выводов компонентов (до 150 мм), однако в отличие от установок пайки волной при использовании этого типа наконечников сохраняется селективность (выборочность) пайки для работы с нужными участками платы.
Другим примером успешного увеличения производительности является наконечник JetWave (см. рис. 2).
Такой наконечник целесообразно применять при пайке разъемов или групп контактов (см. рис. 3). За счет более долгого контакта расплава припоя с выводом компонента (в сравнении с классическим наконечником установок селективной пайки) такой наконечник позволяет увеличить скорость перемещения и, соответственно, производительность пайки. Пожалуй, нет метода пайки разъемов, более эффективного, чем этот.
Еще совсем недавно при создании управляющих программ селективной пайки технолог или программист должны были выбрать оптимальный диаметр наконечника, достаточно большой для обеспечения максимальной производительности и не слишком большой для обеспечения максимальной паяемости всех компонентов на плате (в противном случае к некоторым выводам будет не подобраться без ущерба для окружающего монтажа). Теперь это в прошлом. Современные системы селективной пайки компании Pillarhouse (Великобритания) в состоянии автоматически оперативно менять наконечники в ходе выполнения одной программы. Такая возможность позволяет существенно оптимизировать управляющую программу пайки и значительно увеличить производительность.
Другой подход к оптимизации процесса пайки предлагает автоматическая система селективной пайки OrissaMPR (компания Pillarhouse). В этой системе две ванны расплава припоя, вращающиеся на 360 градусов, позволяют применять два любых наконечника (см. рис. 4). Таким образом, в ходе выполнения одной программы можно применить сразу два наконечника круглого сечения, наконечник JetWave (для пайки разъемов) и наконечник круглого сечения (для допайки прочих выводных компонентов), наконечник круглого сечения и широкую волну, описанную выше.
Однако, параметр «производительность» определяется не только скоростью пайки. Существенное влияние на время цикла оказывает время, затрачиваемое на загрузку/выгрузку платы. Хорошим вариантом увеличения производительности является метод применения двух одинаковых наконечников, зафиксированных на подвижной каретке с шагом мультипликации платы. В такой ситуации происходит синхронная пайка двух мультиплицированных плат и увеличение производительности системы более чем в два раза.
Время перезагрузки платы в отдельно стоящих машинах напрямую связано с расторопностью оператора. Однако даже самые проворные операторы не в состоянии открыть машину, снять фиксаторы платы, поставить новую плату, зафиксировать ее и закрыть машину быстрее, чем это физически возможно для человека.
Сегодня время перезагрузки платы в новой системе селективной пайки JadeHandex компании Pillarhouse (см. рис. 5) стремится к нулю. Извлечение запаянной платы и установка новой платы происходят во время пайки третьей платы. А после того как плата запаяна, оператору следует просто поменять запаянную и новую плату местами, провернув их по кругу.
Наиболее медленные среди конвейерных систем (с точки зрения перезагрузки платы) — машины с манипулятором, поскольку требуют времени на забор платы с конвейера, перемещение к наконечнику для пайки и на обратный путь. В некоторых из таких машин на выполнение этих операций может затрачиваться до 30 секунд. Несколько лучше обстоят дела у систем, в которых пайка платы происходит прямо на направляющих конвейера. Еще дальше продвинулась конвейерная система нового модуля селективной пайки Synchrodex (компания Pillarhouse) (см. рис. 6).
Конвейерная система этой установки выгружает отработанную плату и загружает следующую одновременно, а не последовательно, как это было раньше. В сочетании с несомненными достоинствами конфигурации системы, при которой процессы нанесения флюса, предварительного нагрева и пайки могут быть осуществляться параллельно в нескольких разных модулях, такая синхронная передача платы существенно увеличивает общую производительность системы селективной пайки. Кроме того, модули Synchrodex позволяют применять любые типы наконечников, включая оснастку для групповой пайки, разнося пайку платы на несколько модулей и разбивая программу на разные процессы пайки: пайку окунанием и селективную пайку. Безусловно, работая одновременно с несколькими платами, с применением любых типов наконечников и возможностью автоматической смены наконечника, система Synchrodex является самой производительной из существующих установок селективной пайки.
Очевидно, что селективная пайка не работает без азота, и также очевидно, что самым оптимальным путем получения азота в нужных объемах и нужной чистоты на протяжении всего срока эксплуатации оборудования являются адсорбционные генераторы азота. Закупка баллонов с азотом не дает стабильного качества газа, грозит перебоями в работе и экономически не рентабельна. Криогеника — очень сложный процесс, который не оправдывается с экономической точки зрения при столь малых расходах азота. А мембранные генераторы не дают нужной чистоты. Чтобы избавить потребителя от процесса поиска и выбора генератора, компания Pillarhouse предлагает новое устройство — Pillargen40 (см. рис. 7). Это генератор азота с производительностью 40 литров в минуту, управление и контроль которого интегрированы в саму систему селективной пайки.
Таким образом, выбор системы селективной пайки сопряжен с рядом вопросов, которые необходимо продумать заранее. Причем в силу наблюдающихся тенденций в радиоэлектронной промышленности, среди которых основными являются уменьшение партий собираемых изделий, увеличение вариантов партий собираемых изделий, а также ужесточение требований к качеству и надежности собираемых изделий, — критерии выбора системы селективной пайки становятся все более и более жесткими. И компания Pillarhouse, некогда разработавшая технологию селективной пайки, была и остается лидером в этой технологии, задающим уровень и темп ее развития, так как именно эта компания предлагает производителям электроники всего мира современное оборудование исключительной надежности и гибкости.
Как повысить качество и снизить стоимость производства благодаря селективной пайке
В статье обсуждаются вопросы повышения качества производства электронных изделий, рассматриваются особенности процесса автоматической селективной пайки, требования к разрабатываемым печатным платам, а также методика выбора паяльных сопел.
Бурный рост рынка радиоэлектронной промышленности способствует развитию конкуренции с ярко выраженной ценовой политикой уменьшения стоимости продукции. Именно поэтому для компаний, выпускающих электронное оборудование, крайне важной задачей является снижение затрат на издержки производства при сохранении высокого качества выпускаемой продукции. Ручная пайка и ремонт готовых изделий являются нецелесообразными из-за роста требований к качеству выпускаемой продукции. Платы с высокой плотностью расположения компонентов, многослойные печатные платы со сложной структурой, элементы с малым шагом и «тонкие» компоненты нельзя эффективно обработать в процессе ручной пайки. При производстве с ручной обработкой следует всегда помнить о скрытых издержках, связанных с поддержкой высокого уровня производительности путём увеличения рабочих мест, браком готовой продукции, обучением персонала. Ручная пайка практически невозможна в случае применения бессвинцовых припоев, т.к. слишком высок риск того, что микросхемы и компоненты получат термоудар. Основная задача, решаемая при переходе на автоматическую селективную пайку, заключается в обеспечении максимального качества выпускаемой продукции при минимальном браке.
Соблюдение требований к разработке печатных плат имеет огромное значение при переходе на автоматическую селективную пайку. Например, правильное расположение компонентов на печатной плате, учитывающее минимально допустимое расстояние между их соседними выводами, позволит избежать появления перемычек, а соблюдение необходимого расстояния до компонентов, которые не должны смачиваться припоем в процессе пайки, поможет избежать их повреждения.
Правильный выбор оборудования и его конфигурация также играют важную роль при производстве. Правильный выбор диаметра сопла, его типа — смачиваемое или несмачиваемое, помогают повысить качество готовой продукции. Внедрение современных технологий в установки автоматической пайки позволяет избежать дефектов при производстве. Так, например, «технология ножа» в установках селективной пайки погружением позволяет избежать появления перемычек и «мостов» между выводами компонента.
Чаще всего селективную пайку невозможно выполнить из-за слишком малого расстояния между местами пайки и соседними компонентами, к числу которых относятся:
– SMD-компоненты поверхностного монтажа, которые могут быть смыты при пайке;
– компоненты выводного монтажа, установленные на стороне пайки (сопло может задеть их при пайке).
При селективной пайке наиболее часто встречаются следующие дефекты: образование перемычек припоя между соседними выводами компонента; образование шариков припоя; плохая смачиваемость монтажных отверстий. Все эти дефекты можно избежать за счёт правильного выбора оборудования и его конфигурации.
На сегодняшний день различают два основных типа селективной
пайки.
Селективная пайка миниволной (см. рис. 1). Применяется как при последовательном проходе миниволны припоя по выводам контактов элементов выводного монтажа, так и при окунании вывода в сопло; возможна пайка под углом. Этот тип пайки можно с уверенностью назвать самым гибким из существующих. Он идеально подходит для многономенклатурного производства и позволяет его переналаживать в зависимости от поставленных задач. Среднее время цикла для таких машин составляет 1…10 мин. Эти значения могут отличаться в зависимости от количества точек пайки.
Селективная пайка окунанием с мультинасадками (см. рис. 2). С помощью специальных мультинасадок одновременно обрабатываются сразу все выводы печатной платы. Мультинасадки уникальны и разрабатываются под каждый тип печатных плат.
Время цикла для таких систем составляет 20…30 с. Системы пайки окунанием с мультинасадками не обладают высокой степенью гибкости. Большинство машин не имеет возможности пайки под углом.
Чтобы избежать осложнений процесса пайки, необходимо обеспечить минимально допустимое свободное пространство вокруг ее мест. Для смачиваемости монтажных отверстий и для снижения вероятности образования перемычек следует учитывать требования к длине выводов компонентов. Кроме того, правильный выбор сопла пайки способен уберечь продукцию от этих дефектов.
Для максимального качества пайки миниволной применяются сопла с минимальным внутренним диаметром 3 мм и внешним диаметром 4 мм.
При использовании метода окунания с мультинасадками минимальный размер сопла составляет 5×8 мм.
Пайка окунанием с мультинасадкой предполагает минимальное расстояние не менее 2 мм между выводами компонента для пайки и между соседними компонентами, которые не должны быть затронуты при пайке. При использовании минимальной мультинасадки размерами 5×8 мм длина и ширина контактной группы выводов должна быть не более
9 и 12 мм, соответственно (см. рис. 3).
В зависимости от требований к выпускаемым печатным платам, размер минимально допустимого пространства можно уменьшить. Эти данные следует учитывать при использовании селективной пайки миниволной.
Необходимо обеспечить минимальное расстояние 2 мм по трём сторонам от точки пайки вывода компонента и 5 мм — с одной стороны группы выводов в случае использования несмачиваемых сопел для корректного отделения припоя
(см. рис. 4). Если зазор в 5 мм нельзя обеспечить, используются смачиваемые паяльные сопла либо выполняется пайка печатной платы под углом (см. рис. 5)
Если при разработке печатных плат невозможно сохранить минимально возможный зазор в 2 мм по трём сторонам от точки пайки, соседние SMD-компоненты следует расположить параллельно направлению пайки. В противном случае их может смыть при прохождении волны припоя (см. рис. 6).
При пайке миниволной существуют требования к компонентам, расположенным на плате со стороны пайки. Если высота компонента больше 10 мм, то расстояние до сопла пайки должно быть не меньше высоты компонента.
Эффект недостаточной наполняемости монтажных отверстий связан с невысокой интенсивностью процесса теплообмена, что в свою очередь в значительной степени зависит от конструкции печатной платы. Длина выводов компонентов играет существенную роль в процессе теплообмена, особенно при пайке окунанием с мультинасадкой.
При пайке окунанием длина вывода должна быть более 2,5 мм, что связано с глубиной погружения вывода в припой: чем глубже погружен вывод компонента в припой, тем выше скорость передачи тепловой энергии, а значит, наполняемость монтажных отверстий улучшится.
Дополнительно необходимо учитывать следующее правило: диаметр монтажного отверстия должен быть на 0,2…0,4 мм больше диаметра вывода. При использовании бессвинцового припоя разница может составлять 0,5 мм.
Следует уделить внимание форме и структуре контактных площадок. Для улучшения теплообмена рекомендуется изолировать пространство вокруг точек пайки для концентрации тепловой энергии на контактной площадке (см. рис. 7)
Образование перемычек между соседними выводами компонента — один из самых распространённых дефектов при селективной пайке. Часто это дефект связан с небольшим расстоянием между соседними выводами компонента. При пайке окунанием с мультинасадками минимальное расстояние между выводами компонента составляет 2,54 мм, а в случае пайки миниволной — 1,27 мм. При соблюдении этих параметров машина значительно уменьшает вероятность появления перемычек, даже при пайке под углом и при использовании смачиваемых сопел. Имеет значение и длина вывода компонента. При пайке окунанием с мультинасадками минимальная длина вывода компонента должна быть более 2,5 мм (см. рис. 8), при пайке миниволной под углом — 1 мм (см. рис. 9). Менее длинные выводы компонента могут привести к образованию гантели неправильной формы или к образованию шипов.
Часто правильный выбор паяльного сопла для систем пайки окунанием с мультинасадками значительно уменьшает риск образования перемычек. Так называемые разделительные ножи, установленные внутри сопла, помогают предотвратить появление перемычек (см. рис. 10). Такие сопла позволяют паять печатные платы окунанием при расстоянии между соседними выводами вплоть до 2 мм и длиной вывода 2 мм.
Процесс образования шариков припоя более характерен для бессвинцовых припоев. Высокие температуры в процессе пайки негативно влияют на неё и на возможность появления шариков припоя. Для предотвращения образования шариков припоя печатные платы необходимо предварительно нагревать перед пайкой. Изоляция поверхности вокруг контактной группы также способствует лучшему теплообмену, что уменьшает вероятность появления шариков припоя (см. рис. 11).
Сопла при пайке окунанием с мультинасадкой позволяют уменьшить вероятность появления шариков припоя путём его точного направления на контактную плошадку. Последующее удаление припоя через специальные пластины внутри сопла исключает контакт с поверхностью печатной платы.
Среди всех автоматизированных процессов пайки селективная пайка, пожалуй, самая требовательная технология. Необходимо обладать знаниями об особенностях этого процесса и используемых материалов, иметь определённый опыт для грамотного внедрения данной технологии. Современные системы автоматической селективной пайки позволяют решить большую часть трудностей, которые возникают при производстве. Такие машины исключают процессы ручной пайки как экономически невыгодные и неэффективные и позволяют повысить качество выпускаемой продукции.