Использование установки парофазной пайки: Опыт компании «ПАНТЕС»

Компания "ПАНТЕС" работает на рынке контрактной сборки более десяти лет, оказывая полный спектр услуг по выполнению заказов различного объема и степени сложности, от проектирования и закупки комплектации до конечной сборки и испытаний изделия. В своей работе мы стремимся использовать передовые технологии и оборудование, позволяющие обеспечить повышенную надежность выпускаемой продукции и увеличение срока службы изделия. Сейчас на нашей производственной площадке, находящейся в Санкт-Петербурге, установлены четыре полностью автоматизированные линии монтажа. Три из них – линии поверхностного монтажа суммарной производительностью до 200 тыс. компонентов в час, четвертая – линия селективной пайки. В последние годы в пакете заказов компании существенно увеличилась доля контрактов на изготовление продукции ответственного применения, в частности, систем электропитания, в изготовлении которых мы обладаем большим практическим опытом. Отчетливо наметившаяся тенденция ужесточения требований к их надежности подразумевает, в числе прочего, высокое качество монтажа. Перед производственным отделом встала задача модернизации одной из линий автоматического монтажа печатных плат для такого вида продукции, причем без снижения ее производительности.

Очевидным путем повышения качества паяного соединения является использование бескислородной (инертной) среды во время пайки. Инертная среда значительно увеличивает смачиваемость припоем контактных площадок и выводов компонентов; улучшается форма галтели паяного соединения и его внешний вид.

Монтаж SMD компонентов в инертной среде можно обеспечить двумя основными способами: применить систему подачи азота при конвекционной пайке либо использовать технологию парофазной пайки. Применительно к первому способу мы имеем значительный опыт, эксплуатируя генератор азота в сочетании с установками селективной и волновой пайки. Его большой недостаток – повышенное расходование азота. Еще одним недостатком, ставшим особенно важным в свете наших новых задач, является более сложное и дорогостоящее решение по применению вакуумирования во время конвекционной пайки – в отличие от парофазной.

На сегодня вакуумирование во время пайки – единственный серийный способ значительного уменьшения количества пустот в паяном соединении. На что влияет наличие пустот и какой их объем допустим? Стандарт IPC-A-610 количественно определяет наличие пустот только в шариковых выводах BGA компонентов. Эта величина не должна превышать 25% шарика, видимого в рентгеновском снимке. Более подробно раскрывает критерии стандарт IPC-7095B, в котором зафиксировано различное допустимое количество пустот в разных областях паяного соединения; здесь пустоты рассмотрены в качестве фактора, влияющего на надежность паяного соединения. Кроме этого, пустоты упоминаются в стандарте IPC-A-610 применительно к соединению между теплоотводными площадками компонентов и соответствующими им площадками на плате. Наличие пустот в данном случае существенно ухудшает теплоотвод, так как находящийся в них воздух является хорошим теплоизолятором. Правда, в стандарте не указывается количественное значение допустимого объема пустот; оно определяется как предмет договора между производителем и заказчиком.

Анализ возможностей вакуумирования в сочетании с требованиями стандартов показывает, что его использование во время пайки, с одной стороны, увеличивает надежность паяного соединения за счет уменьшения количества пустот до 2%, что намного превышает требования 3-го класса, а с другой стороны, вакуумирование, возможно, единственный способ обеспечить для компонента хороший теплоотвод.

Для модернизации линии автоматического монтажа печатных плат мы выбрали конвейерную парофазную печь c модулем вакуума.

Остановимся на особенностях печи:

• полностью автоматизированная конвейерная система – вариант отдельно стоящих машин нас не устраивал. Все производственные линии нашей компании полностью автоматизированы, оборудованы конвейерами с двухмагазинными загрузчиками/разгрузчиками, это является стандартом нашего предприятия. Ручной способ переноса плат влечет риски смещения компонентов и, как следствие, вероятность появления дефектов в процессе пайки;
• высокая скорость пайки, сравнимая с конвекционной, обусловленная оптимальной организацией подачи плат паллетного типа и отдельным модулем охлаждения;
• образование вакуума происходит в той же камере, что и пайка, при этом плата лежит неподвижно; благодаря этому отсутствует риск смещения компонентов на стадии застывания припоя;
• самый низкий в своем классе расход рабочей жидкости Galden, что обеспечивается пайкой в полностью герметичной камере и наличием многоконтурной системы фильтрации жидкости.

На основе печи и двух установщиков и на производственной площадке нашей компании была сконфигурирована линия поверхностного монтажа, предназначенная для выполнения средних и мелкосерийных заказов любой сложности. В состав линии также входят трафаретный принтер и необходимое конвейерное оборудование. Установщики работают с широким спектром компонентов типоразмеров от 01005 до 45 × 100 мм с возможностью подачи из автоматического загрузчика из паллет, обеспечивают высокую точность установки (50 мкм), их производительность – до 45 тыс. компонентов в час. Наличие двух установщиков в линии позволяет иметь широкую базу питателей, достаточную для выполнения заказа практически любой сложности.

Рис.2. Качество пайки: конвекционная печь (слева) и парофазная печь с модулем вакуумирования (справа)

Опыт эксплуатации печи показал, что она действительно отвечает заявленным характеристикам. Если качество пайки было проверено нами еще до покупки, при тестировании во время поездки в Германию, и сомнений не вызывало, то заявленная производительность печи была под вопросом. В реальных условиях серийной сборки нашего произ водства было установлено, что по производительности печь сравнима со среднесерийными конвейерными печами и не создает опасности появления в линии "узкого места".

Качество пайки в парофазной печи, а также использование вакуума можно оценить по представленным фотографиям. На рис.2 видно, насколько различаются площадь и угол смачивания при конвекционной и парофазной пайках. При использовании инертной среды площадь смачивания контактной площадки на финишных покрытиях, отличных от HASL, будет практически 100%. Припой поднимается по выводам значительно выше, чем при пайке в конвекционной печи; кроме того, происходит смачивание необлуженных поверхностей, например, торцов выводов QFP и QFN компонентов. Паяное соединение значительно больше блестит, а значит, является более гладким и однородным.

Рис.3. Рентгеновское изображение распаянного BGA компонента, слева – без применения вакуумирования, справа – с применением. Светлые области в темных кружках – это пустоты в паяном соединении

Использование вакуума при пайке BGA компонентов уменьшает количество пустот до 2% (рис.3). Пример пайки термоплощадок показан на рис.4.

Рис.4. Пайка теплоотводных площадок: слева – без вакуумирования, справа – с вакуумированием

В заключение подчеркнем основные преимущества монтажа SMD компонентов с помощью системы парофазной пайки с использованием модуля вакуума:

• наличие встроенной системы конвейерной подачи дает возможность выпускать различные партии изделий с требуемой производительностью и исключает влияние человеческого фактора при переносе изделий между этапами монтажа;
• вакуумный модуль позволяет свести к минимуму образование пустот в паяных соединениях, что повышает качество пайки, а в некоторых случаях является единственным решением, когда наличие пустот недопустимо, в частности, для обеспечения хорошего теплоотвода. Сочетание инертной среды и вакуумного модуля позволяет получить паяное соединение, которое по своему качеству превосходит требования 3-го класса по стандарту IPC-A-610;
• возможность пайки изделий повышенной теплоем кости;
• отсутствие риска перегрева компонентов, чувствительных к высокой температуре.

Благодаря использованию преимуществ пайки в парофазной среде с модулем вакуума компания "ПАНТЕС" обладает всеми возможностями для выпуска изделий ответственного применения в соответствии с самыми высокими стандартами качества.