Паяльное оборудование

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Паяльное оборудование

2. Печатные платы

2.1 Материалы

Список использованной литературы

1. Паяльное оборудование

Пайка -- технологическая операция, применяемая для получения неразъёмного соединения деталей из различных материалов путём введения между этими деталями расплавленного материала (припоя), имеющего более низкую температуру плавления, чем материал (материалы) соединяемых деталей.

Спаиваемые элементы деталей, а также припой и флюс вводятся в соприкосновение и подвергаются нагреву с температурой выше температуры плавления припоя, но ниже температуры плавления спаиваемых деталей. В результате припой переходит в жидкое состояние и смачивает поверхности деталей. После этого нагрев прекращается, и припой переходит в твёрдую фазу, образуя соединение.

Прочность соединения во многом зависит от зазора между соединяемыми деталями (от 0,03 до 2 мм), чистоты поверхности и равномерности нагрева элементов. Для удаления оксидной плёнки и защиты от влияния атмосферы, а также для понижения поверхностного натяжения и улучшения растекания припоя применяют флюсы.

Пайка бывает низкотемпературная (до 450 °C) и высокотемпературная. Соответственно -- припои бывают легкоплавкие и тугоплавкие. Для низкотемпературной пайки используют, в основном, электрический нагрев, для высокотемпературной -- в основном, нагрев горелкой. В качестве припоя используют сплавы оловянно-свинцовые (Sn 90 % Pb 10 % c t° пл. 220 °C), медно-серебряные (Ag 72 % с t° пл. 779 °C), медно-цинковые (Cu 48 % Zn остальное с t° пл. 865 °C), галлиевые (t° пл. ~50°С), висмутовые (сплав Вуда с t° пл. 70 °C, сплав Розе с t° пл. 96 °C) и т. д.

Пайка является высокопроизводительным процессом, обеспечивает надёжное электрическое соединение, позволяет соединять разнородные материалы (в различной комбинации металлы и неметаллы), отсутствие значительных температурных короблений (по сравнению со сваркой). Паяные соединения допускают многократное разъединение и соединение соединяемых деталей (в отличие от сварки). К недостаткам можно отнести относительно невысокую механическую прочность.

Исходя из физико-химической природы процесса, пайку можно определить следующим образом. Процесс соединения металлов в твёрдом состоянии путём введения в зазор припоя, взаимодействующего с основным металлом и образующего жидкую металлическую прослойку, кристаллизация которой приводит к образованию паяного шва. На границе между припоем и основным металлом образуются переходные слои, состоящие из продуктов их взаимодействия - твердых растворов и интерметаллидов. Они обеспечивают адгезию между припоем и основным металлом, однако слишком толстые слои интерметаллидов проявляют хрупкость и приводят к разрушению пайки. Пайка подразделяется на капиллярную, диффузионную, контактно-реакционную, реакционно-флюсовую и пайку-сварку. В свою очередь, капиллярная подразделяется на горизонтальную и вертикальную. Диффузионная -- на атомно-диффузионную и реакционно-диффузионную. Контактно-реакционная -- с образованием эвтектики и с образованием твёрдого раствора. Реакционно-флюсовая -- без припоя и с припоем. Пайка-сварка -- без оплавления и с оплавлением. Анализируя сущность физико-химических процессов, протекающих на границе основной металл -- расплав припоя (при формировании соединения в существующих видах пайки), можно видеть, что различия между капиллярной пайкой, диффузионной пайкой и пайкой-сваркой не носят принципиального характера. Капиллярность является общим признаком пайки. Отличительным признаком диффузионной пайки является длительная выдержка при температуре пайки и изотермическая кристаллизация металла шва в процессе пайки. Других характерных признаков этот метод не имеет, основное назначение его -- повысить температуру распая шва и прочность паяного соединения. Диффузионная пайка может быть развитием любого вида пайки, в том числе капиллярной, реакционно-флюсовой или контактно-реакционной. В последнем случае диффузионная пайка возможна, если второй металл взаимодействующей пары вводится в виде прослойки между соединяемыми металлами. При реакционно-флюсовой пайке происходит совмещение процессов вытеснения из флюса металла, служащего припоем, и его взаимодействия с основным металлом. Наконец, пайка-сварка отличается от других методов пайки количеством вводимого припоя и характером формирования шва, делающим этот метод пайки похожим на сварку плавлением. При соединении разнородных металлов при пайке-сварке возможно оплавление кромки одной из деталей, изготовленной из более легкоплавкого металла.

Бессвинцовые технологии. 27 января 2003 года введена в действие директива 2002/96/ЕС Европейского парламента и Совета по отходам электрического и электронного оборудования (WEEE). Современная радиоэлектронная промышленность встала перед фактом организации сбора и удаления отходов, имеющих в своем составе тяжелые металлы и огнезащитные составы. Для успешного решения этой проблемы одним из необходимых условий является переход на бессвинцовые технологии изготовления электронного оборудования -- технологии с применением материалов, не содержащих свинца. Так же эффективным способом защиты является использование дымоуловителя.

пайка флюс диэлектрик

2. Печатные платы

Печатная плата (англ. printed circuit board, PCB) -- пластина из диэлектрика, на поверхности и/или в объёме которой сформированы электропроводящие цепи электронной схемы. Печатная плата предназначена для электрического и механического соединения различных электронных компонентов. Электронные компоненты на печатной плате соединяются своими выводами с элементами проводящего рисунка обычно пайкой.

Устройство. В отличие от навесного монтажа, на печатной плате электропроводящий рисунок выполнен из фольги, целиком расположенной на твердой изолирующей основе. Печатная плата содержит монтажные отверстия и контактные площадки для монтажа выводных или планарных компонентов. Кроме того, в печатных платах имеются переходные отверстия для электрического соединения участков фольги, расположенных на разных слоях платы. С внешних сторон на плату обычно нанесены защитное покрытие («паяльная маска») и маркировка (вспомогательный рисунок и текст согласно конструкторской документации).

Виды печатных плат. В зависимости от количества слоёв с электропроводящим рисунком, печатные платы подразделяют на:

односторонние (ОПП): имеется только один слой фольги, наклеенной на одну сторону листа диэлектрика.

двухсторонние (ДПП): два слоя фольги.

многослойные (МПП): фольга не только на двух сторонах платы но и во внутренних слоях диэлектрика. Многослойные печатные платы, получаются склеиванием нескольких односторонних или двухсторонних плат.

По мере роста сложности проектируемых устройств и плотности монтажа, увеличивается количество слоёв на платах.

По свойствам материала основы:

Жёсткие

Теплопроводные

Гибкие

Печатные платы могут иметь свои особенности, в связи с их назначением и требованиями к особым условиям эксплуатации (например, расширенный диапазон температур) или особенности применения (например, платы для приборов, работающих на высоких частотах).

2.1 Материалы

Основой печатной платы служит диэлектрик, наиболее часто используются такие материалы, как стеклотекстолит, гетинакс.

Так же основой печатных плат может служить металлическое основание, покрытое диэлектриком (например, анодированный алюминий), поверх диэлектрика наносится медная фольга дорожек. Такие печатные платы применяются в силовой электронике для эффективного теплоотвода от электронных компонентов. При этом металлическое основание платы крепится к радиатору.

В качестве материала для печатных плат, работающих в диапазоне СВЧ и при температурах до 260 °C, применяется фторопласт, армированный стеклотканью (например, ФАФ-4Д)[2] и керамика.

Гибкие платы делают из полиимидных материалов, таких как каптон.

Типовой процесс. Рассмотрим типичный процесс разработки платы из готовой принципиальной электрической схемы:

Подготовка к конструированию:

Импорт принципиальной электрической схемы в базу данных САПР конструирования печатной платы. Как правило подготовка схемы выполняется в отдельной схемотехнической САПР. Некоторые пакеты САПР содержат компоненты как схемотехники так и конструирования. Другие САПР ПП не имеют схемотехнической САПР в своем составе, только импортируя схемотехнику популярных форматов.

Ввод в САПР компонентов (чертежей каждого компонента, расположения и назначения выводов и др). Обычно при этом используются готовые библиотеки компонентов, поставляемые разработчиками САПР.

Уточнение у будущего изготовителя печатной платы его технологических возможностей (имеющиеся материалы, количество слоев, класс точности, допустимые диаметры отверстий, возможность покрытий и т. п.). Выбор материала платы, количества слоев металлизации, толщины материала и толщины фольги (наиболее часто используется стеклотекстолит толщиной 1,5 мм с фольгой толщиной 18 или 35 мкм).

Конструирование платы:

Определение конструктива печатной платы (габаритов, точек крепления, допустимых высот компонентов). Вычерчивание габаритов (краёв) платы, вырезов и отверстий, областей запрета размещения компонентов. Расположение конструктивно-привязанных деталей: разъёмов, индикаторов, кнопок и др. Определение правил расположения критичных проводников: выделение областей прокладки сильноточных проводников и шин питания; компоновка высокочастотных и дифференциальных линий, определение методов прокладки и экранировки чувствительных к помехам цепей и цепей-источников помех.

Выполнение автоматического или ручного размещения компонентов. Обычно стремятся разместить компоненты на одной стороне платы поскольку двусторонний монтаж деталей заметно дороже в производстве.

Запуск трассировщика. При неудовлетворительном результате -- перерасположение компонентов. Эти два шага зачастую выполняются десятки или сотни раз подряд. В некоторых случаях трассировка печатных плат (отрисовка дорожек) производится вручную полностью или частично.

Проверка платы на ошибки (DRC, Design Rules Check): проверка на зазоры, замыкания, наложения компонентов и др.

Создание выходной документации:

Экспорт файла в формат, принимаемый изготовителем печатных плат, например Gerber.

Подготовка сопроводительной записки в которой, как правило, указывают тип фольгированного материала, диаметры сверления всех типов отверстий, вид переходных отверстий (закрытые лаком или открытые, луженые), области гальванических покрытий и их тип, цвет паяльной маски, необходимость маркировки, способ разделения плат (фрезеровка или скрайбирование) и т. п..

Типовые ошибки конструирования. Производители печатных плат часто сталкиваются с неочевидными ошибками конструирования начинающими инженерами.[6] Наиболее типичные ошибки:

Неверный выбор диаметра сверления отверстий для монтажа компонентов. В процессе изготовления платы часть просвета отверстия уйдет на металлизацию, что может приводить к невозможности нормального монтажа компонента.

Ошибки в согласовании требуемого размера контура печатной платы с методом его обработки. Разные методы обработки контура требуют соответствующего припуска.

Ошибки при выборе отдельных размеров проводников, зазоров, отверстий, окантовки отверстий и т.п. Эти размеры определяют класс точности, а значит цену и сроки изготовления плат. Даже один элемент с ошибочно малым размером может переквалифицировать класс точности всей платы.

Неравномерное распределение дорожек, полигонов и точек пайки на крупногабаритных печатных платах может приводить к короблению плат после пайки в печах.

Отсутствие термозазора вокруг точек монтажа компонентов при подключении к крупным заливкам фольгой (полигонам или широким дорожкам) приводит к затруднениям и браку при пайке: медь является эффективным теплоотводом и затрудняет прогрев места пайки.

Для плат подлежащих лакированию следует учитывать требования к расположению разъемов и других не подлежащих лакированию компонентов. В противном случае растет процент брака при попадании лака на контакты разъемов.

Изготовление. Изготовление ПП возможно аддитивным или субтрактивным методом. В аддитивном методе проводящий рисунок формируется на нефольгированном материале путём химического меднения через предварительно нанесённую на материал защитную маску. В субтрактивном методе проводящий рисунок формируется на фольгированном материале, путём удаления ненужных участков фольги. В современной промышленности применяется исключительно субтрактивный метод.

Весь процесс изготовления печатных плат можно разделить на четыре этапа:

Изготовление заготовки (фольгированного материала).

Обработка заготовки с целью получения нужных электрического и механического вида.

Монтаж компонентов.

Тестирование.

Часто под изготовлением печатных плат понимают только обработку заготовки (фольгированного материала). Типовой процесс обработки фольгированного материала состоит из нескольких этапов: сверловка переходных отверстий, получение рисунка проводников путем удаления излишков медной фольги, металлизация отверстий, нанесение защитных покрытий и лужение, нанесение маркировки. Для многослойных печатных плат добавляется прессование конечной платы из нескольких заготовок.

Алюминиевые печатные платы. Отдельную группу материалов составляют алюминиевые металлические печатные платы. Их можно разделить на две группы.

Первая группа -- решения в виде листа алюминия с качественно оксидированной поверхностью, на которую наклеена медная фольга. Такие платы нельзя сверлить, поэтому обычно их делают только односторонними. Обработка таких фольгированных материалов выполняется по традиционным технологиям химического нанесения рисунка. Иногда вместо алюминия применяют медь или сталь, ламинированные тонким изолятором и фольгой. Медь имеет бомльшую теплопроводность, нержавеющая сталь платы обеспечивает коррозионную стойкость.

Вторая группа подразумевает создание токопроводящего рисунка непосредственно в алюминии основы. Для этой цели алюминиевый лист оксидируют не только по поверхности но и на всю глубину основы согласно рисунку токопроводящих областей, заданному фотошаблоном.

Механический способ. Механический способ изготовления предполагает использование фрезерно-гравировальных станков или других инструментов для механического удаления слоя фольги с заданных участков.

Лазерная гравировка. До недавнего времени лазерная гравировка печатных плат была слабо распространена в связи с хорошими отражающими свойствами меди на длине волны наиболее распространенных мощных газовых СО лазеров. В связи с прогрессом в области лазеростроения сейчас начали появляться промышленные установки прототипирования на базе лазеров.

Прессование многослойных плат. Многослойные платы (с числом слоев металлизации более 2) собираются из стопки тонких двух- или однослойных печатных плат, изготовленных традиционным способом (кроме наружных слоев пакета -- их пока оставляют с нетронутой фольгой). Их собирают «бутербродом» со специальными прокладками (препреги). Далее выполняется прессование в печи, сверление и металлизация переходных отверстий. В последнюю очередь делают травление фольги внешних слоев.

Переходные отверстия в таких платах могут также делаться до прессования. Если отверстия делаются до прессования, то можно получать платы с так называемыми глухими отверстиями (когда отверстие есть только в одном слое бутерброда), что позволяет уплотнить компоновку.

Нанесение покрытий. Возможны такие покрытия как:

Защитно-декоративные лаковые покрытия («паяльная маска»). Обычно имеет характерный зелёный цвет.

Лужение. Защищает поверхность меди, увеличивает толщину проводника, облегчает монтаж компонентов. Обычно выполняется погружением в ванну с припоем или волной припоя.

Гальваническое покрытие фольги инертными металлами (золочение, палладирование) и токопроводящими лаками для улучшения контактных свойств разъемов и мембранных клавиатур.

Декоративно-информационные покрытия (маркировка). Обычно наносится с помощью шелкографии, реже -- струйным методом или лазером.

Установка компонентов. Установка компонентов может выполняться как вручную так и на специальных автоматах-установщиках. Автоматическая установка уменьшает вероятность ошибки и значительно ускоряет процесс (лучшие автоматы устанавливают несколько компонентов в секунду).

Финишные покрытия. После пайки печатную плату с компонентами покрывают защитными составами: гидрофобизаторами, лаками, средствами защиты открытых контактов.

Тестирование и контроль. Для массового промышленного производства печатных плат разработаны автоматизированные методики контроля качества. Для контроля качества обработки заготовки применяются электрические тесты на целостность проводников и отсутствие замыканий. При контроле качества монтажа электронных компонентов применяют оптические методы контроля.

Оптический контроль качества монтажа выполняется с помощью специализированных стендов с видеокамерами высокого разрешения. Стенды встраиваются в технологическую линию на этапах:

контроля рисунка проводников, контура печатной платы и диаметров отверстий.

контроля равномерности и дозировки нанесения паяльной пасты.

контроля точности установки компонентов.

контроля результатов пайки (оплавления припоя или пайки волной). Типовые дефекты пайки, выявляемые оптическими системами:

Смещение компонентов в процессе пайки.

Короткие замыкания.

Недостаток и избыток припоя.

Коробление печатных плат.

Сходные технологии. Подложки гибридных микросхем представляют собой нечто похожее на керамическую печатную плату, однако обычно используют другие техпроцессы:

шелкографическое нанесение рисунка проводников металлизированной пастой с последующим спеканием пасты в печи. Технология позволяет многослойную разводку проводников благодаря возможности нанесения на слой проводников слоя изолятора теми же шелкографическими методами.

осаждение металла через трафарет.

фотолитографическими методами.

Керамические корпуса электронных микросхем и некоторых других компонентов также выполняются с привлечением технологий гибридных микросхем.

Мембранные клавиатуры часто выполняют на пленках методом шелкографии и спекания легкоплавкими металлизированными пастами.

Список использованной литературы

1. Заводян А.В., А.М. Грушевский А.М. Поверхностный монтаж для производства высокоплотных электронных средств. Уч. пособие с грифом УМО. – М.: МИЭТ, 2006. – 276 с.: ил.

2. Заводян А.В., Грушевский А.М. Анализ сборочно-монтажных процессов электронных средств. Уч. пособие с грифом УМО. – М.: МИЭТ, 2005. – 200 с.: ил. 621.3.049.77 (075.8) М-597.

3. Конспект лекций по курсу «МиУИ ЭВС».

4. Мельниченко А.С., Предотвращение дефектов при пайке бессвинцовыми припоями.

5. Степаненко В.Г., Золотарева А.И., Статья «Бессвинцовая пайка: подробности, альтернативы, особенности монтажа», подготовлена фирмой КОМПЭЛ.

6. Немыкин А.П., Статья «Бессвинцовая технология – требование времени или прихоть экологов?» ИД «Электроника».

Размещено на Allbest.ru