Что такое конвекционная пайка?

[admin]

Конвекционная пайка
Монтаж и демонтаж BGA-компонентов

Конвекционная пайка основана на нагреве воздуха в замкнутом объеме, в который помещена печатная плата или отдельный компонент.



В настоящее время является основным методом промышленной пайки, поскольку обеспечивает наиболее равномерное распределение тепла.

В ремонтной сфере конвекционная пайка применяется главным образом для BGA-компонентов, поскольку применение других методов затрудняет отсутствие прямого доступа к их выводам.

Основы конвекционного метода
Современный подход к неповреждающему монтажу и демонтажу поверхностных компонентов

Почему именно конвекционный метод ?

Производители BGA-компонентов рекомендуют пайку своих изделий только конвекционным методом, так как только активная конвекция, т.е. перемешивание воздуха в замкнутом объеме, позволяет обеспечить одинаковую температурную картину во всех точках этого объема.

BGA–компоненты сконструированы именно в расчете на конвекционную технологию пайки. В серийном производстве конвекционный метод реализуют в печи. При ремонте и в экспериментальном производстве необходима установка, способная точно имитировать условия пайки в печи для отдельного компонента. Именно этим требованиям отвечают конвекционные паяльные системы серии ThermoFlo
( TF 500 , TF700 , TF1500 ) и APR 5000 .

Конвекционный метод, используемый в этих системах, основан на нагреве воздуха в объеме сопла, накрывающего компонент, за счет подачи в этот объем дополнительного горячего воздуха со скоростью, необходимой только для его перемешивания и выравнивания температуры во всем объеме сопла.

Не следует путать конвекционный процесс с работой обычного фена, осуществляющего нагрев путем обдува объекта раскаленным потоком воздуха. В отличие от фена пайка BGA-компонентов на системах TF не сопровождается растеканием горячего воздуха по плате и нагревом соседних компонентов. Кроме того, использование фена без антистатической защиты существенно увеличивает риск повреждения компонентов статическим электричеством, наведенным движущимся потоком воздуха.

Для чего нужен термопрофиль ?

Особенностью BGA-компонентов является то, что их выводы, представляющие собой контактные площадки с шариками припоя, расположенными под корпусом установленного на плату компонента и они недоступны для традиционных паяльных инструментов. Пайка этих компонентов выполняется путем сквозного прогрева корпуса.

При этом, верхняя часть корпуса нагревается быстрее, чем шариковые выводы, поскольку они контактируют с платой, что затрудняет их нагрев. Очевидно, если прогревать компонент с помощью фена с постоянной температурой или инфракрасного излучателя постоянной интенсивности, то при достижении необходимой температуры пайки на шариках (220°С) корпус окажется перегретым.

Избежать перегрева позволяет поэтапное повышение температуры с выдержкой времени на каждом этапе для постепенного выравнивания температуры во всём объёме корпуса.



Весь цикл нагрева компонента в программируемой конвекционной установке представляет собой последовательную отработку четырёх температурных зон или термопрофиля:

1. Зона предварительного подогрева (Preheat) — 100 ё 140°C
Выпаривание растворителя из флюса или паяльной пасты для предотвращения их разбрызгивания при пайке. Скорость повышения температуры керамических компонентов в этой зоне — не более 5°C/сек.

2. Зона теплового насыщения (Soak) до170°C (для припоя с температурой плавления 183°C)
Выравнивание температуры по всему объему компонента для уменьшения температурного разброса в следующей за данной зоной зоне пайки.
Активизация и растекание флюса, растворение окисной пленки на контактах.

3. Зона пайки (Reflow) 220°C
Расплавление припоя, содержащегося в паяльной пасте или в шариках
BGA–компонентов (если шарики изготовлены из эвтектического сплава). Время выдержки в этой зоне определяется моментом полного расплавления припоя плюс 10 секунд, необходимых для полного растекания и смачивания контактов.

4. Зона охлаждения (Cooldown)
Медленное охлаждение керамических компонентов и более интенсивное
— пластиковых.

Именно по такому циклу работают все промышленные паяльные печи, и именно на такой режим пайки рассчитаны все поверхностные компоненты.

Программирование термопрофиля

Конвекционные паяльные системы серии TF позволяют в диалоговом режиме ввести и запомнить до 80 термопрофилей. При этом каждая зона программируется по времени, величине потока воздуха и температуре. Рекомендуемый термопрофиль можно получить у поставщиков электронных компонентов или создать самому, используя инструкцию, прилагаемую к системе.




Зоны предварительного нагрева и насыщения у различных термопрофилей, как правило, отличаются только длительностью, которая зависит от толщины и количества слоев печатной платы (см. график).

Длительность зоны плавления определяется во время первой пайки. Для этого сначала устанавливают максимально допустимое (согласно инструкции) время операции. Запускается цикл отработки термопрофиля и фиксируется время полного расплавления шариков BGA–компонентов — этот момент определяется хорошо заметным проседанием корпуса — после чего нагрев принудительно прекращают. Измеренное время вводится в систему в качестве длительности зоны плавления для последующего использования.

В зоне охлаждения основным параметром является скорость подачи воздуха, которая определяет интенсивность охлаждения компонента. Для керамических корпусов устанавливается скорость не более 3 х единиц величины потока, для пластиковых компонентов допускается более быстрое охлаждение (6 ё 7 единиц).

С помощью клавиатуры прибора вводится номер профиля, количество выводов компонента и тип корпуса. Полученная комбинация, например “06 BGA 225”, используется в качестве имени запрограммированного режима.


Варианты Систем которые используются для монтажа и замены BGA-компонентов

Автоматизированные системы TF500 и TF700
Автоматизированные системы TF500 и TF700 представляют собой два варианта технологического оборудования, предназначенного для установки и замены
BGA–компонентов.


система TF700


Составные части:

1. программируемый блок управления со встроенным компрессором и
2. вакуумным насосом;
3. виброустойчивый штатив;
4. шарнирное крепление;
5. термоинструмент;
6. адаптер для быстрой смены сопла;
7. сопло;
8. конвекционный подогреватель платы (только у TF700) .



Монтаж BGA–компонентов

Подготовка печатной платы

BGA–компоненты в пластиковом корпусе поставляются с припаянными к корпусу шариками из эвтектического припоя 63Sn/37Pb. Этого припоя достаточно для образования качественного соединения, поэтому для монтажа пластиковых корпусов требуется только покрыть флюсом контактные площадки платы. Рекомендуется использовать флюс, не требующий смывки, так как удаление его после монтажа компонента затруднено ограниченным доступом к выводам последнего.

Несколько сложнее обстоит дело с керамическими корпусами, шарики которых изготовлены из тугоплавкого припоя 90Pb/10Sn. Такие шарики, выполняя лишь роль опоры для массивного компонента, при пайке не расплавляются. В этом случае можно с помощью трафарета или дозатора нанести на печатную плату паяльную пасту с эвтектическим припоем, который и обеспечит соединение шариков с контактными площадками платы.

Более удобным приёмом является нанесение паяльной пасты непосредственно на шарики BGA–компонента с помощью специального шаблона Stenciling Kit фирмы Pace




Позиционирование и пайка

Несмотря на экзотический внешний вид, BGA–компоненты являются очень технологичными в связи с их способностью к самопозиционированию под действием сил поверхностного натяжения, возникающих при расплавлении шариков. Именно поэтому не нужно добиваться сверхточной установки компонента перед пайкой. Вполне достаточно сориентировать корпус по реперным знакам или шёлкографическому контуру — то или другое обычно наносится на плату при её изготовлении. Все неточности установки будут устранены силами поверхностного натяжения, когда корпус начнет свободно «плавать» на расплавленных шариках припоя. Если на плате отсутствуют какие–либо ориентиры, используется центрирующая рамка, представляющая собой прямоугольную металлическую пластинку с прямоугольным же отверстием посередине. Внешний габарит рамки совпадает с внешним габаритом компонента, а внутреннее отверстие выполнено точно по габаритам поля выводов компонента.




Техника позиционирования здесь следующая:


1. центрирующая рамка помещается на плату таким образом, чтобы контур её внутреннего отверстия плотно прилегал к границам поля контактных площадок на плате,

2. компонент вставляется в сопло конвекционной системы ThermoFlo и удерживается вакуумной присоской, расположенной внутри сопла. Затем сопло вместе с компонентом опускается почти до уровня печатной платы,


3. с помощью прецизионного координатного столика плата перемещается в горизонтальной плоскости так, чтобы при взгляде сверху внешний контур рамки совпал с контуром компонента, после чего

4. компонент отводится вверх, а рамка удаляется.

Спозиционированный компонент вновь опускается на плату, вакуумная присоска выключается и отводится, сопло устанавливается над компонентом с небольшим зазором — зазор создаёт возможность для «свободного плавания» компонента.

Запускается цикл нагрева и система начинает отрабатывать термопрофиль. Горячий воздух подается в сопло под минимальным давлением. Это давление является достаточным только для поддержания над компонентом нужной температуры. Механическое воздействие воздуха на компонент отсутствует. Отсутствует и растекание горячего воздуха по плате, вызывающее нежелательный нагрев соседних с компонентом участков платы. Благодаря внутренним перегородкам сопла воздух распределяется таким образом, чтобы обеспечить равномерный нагрева компонента, и вытесняется вверх через специальные прорези.

По завершении цикла пайки система подает звуковой сигнал, а при выполнении демонтажа — ещё и автоматически включает вакуумный захват.

Легко видеть, что выполнение операций по монтажу и демонтажу BGA–компонентов при помощи ThermoFlo не вызывает никаких проблем и не требует от оператора специальных навыков.

Следует отметить, что всё сказанное о самопозиционировании компонентов относится лишь к пластиковым корпусам. Керамические BGA–компоненты не «плавают», т.к. их шарики не плавятся в процессе пайки.

Приведенный выше метод может использоваться и при работе с керамическими корпусами, но результат будет зависеть от точности нанесения на плату ориентирующих знаков. Как правило, для ремонтных целей получаемая степень совмещения является достаточно, а для серийной установки керамических BGA дополнительно потребуется система видеосовмещения.


Контроль качества

Единственным надёжным методом контроля пайки BGA пока остаётся рентгеноскопия. Используемое при рентгеноскопии оборудование — дорогое и проблемное с точки зрения обеспечения безопасности, так что применяется оно только в крупносерийном производстве. Система ThermoFlo решает проблему контроля качества пайки также, как и промышленная печь — за счёт полной повторяемости процесса. Благодаря точному воспроизведению режимов, полученный после «обкатки» термопрофиля подтвержденный на функциональном контроле изделия положительный результат будет повторяться при каждой последующей пайке.

Источник материалов: http://www.argus-x.com

[admin]

Восстановление шариковых выводов

Если вы хотите повторно использовать демонтированный BGA–компонент, вам придётся восстановить шариковые выводы, которые при демонтаже превратились в бесформенные капельки припоя, подлежащие обязательному удалению с помощью вакуумного паяльника (например:SX–80) или оплётки.

Наибольшее распространение получил метод восстановления шариков, основанный на использовании трафаретов. Через трафарет на компонент наносятся либо новые калиброванные шарики, либо паяльная паста.

Для выполнения этой операции используется набор WPRB–1000 , содержащий все необходимые принадлежности, а также стальные трафареты с отверстиями, выполненными с шагом 1.0, 1.27 и 1.5мм.



После нанесения паяльной пасты или шариков компонент вместе с трафаретом, закрепленном на специальной подставке, нагревают до полного расплавления шариков и их припаивания к контактам компонента.

Это может быть выполнено на установке ThermoFlo или в паяльной печи по термопрофилю, соответствующему операции восстановления шариков ( Reballing ).


Особенности пайки плат с большим количеством слоёв


Для пайки BGA–компонентов на тяжёлые многослойные печатные платы
(более 4-х слоев) в системе ThermoFlo TF700 предусмотрен нижний подогрев платы с помощью подогревателя HS200 .

Система TF500 может быть укомплектована этим, либо другим, более дешёвым, подогревателем платы (по желанию заказчика)



Устройство HS200 является автономным, но может управляться и от ThermoFlo - одновременно с отработкой термопрофиля.


Направленный снизу вверх воздушный поток подогревает плату со скоростью, безопасной для керамики, а затем тепловое излучение поверхности нагревательного элемента поддерживает температуру платы на заданном уровне.

Нижний подогрев позволяет:

- уменьшить теплоотвод в плату и сократить время пайки компонента,
- предотвратить коробление, к которому склонны многослойные печатные платы при одностороннем нагреве.


Монтаж корпусов типа QFP, PLCC, SOIC

Для монтажа большинства микросхем, кроме BGA , применение конвекционного метода не требуется, и, следовательно, не возникает необходимость использования установки ThermoFlo . Операции монтажа этих компонентов выполняются иными методами, а именно, с помощью контактной пайки .

Единственным исключением, на которое хотелось бы обратить внимание, являются микросхемы в керамическом корпусе — их монтаж осуществляется по процедуре, аналогичной изложенной выше для корпусов BGA .


Всегда перед установкой нового компонента на место ранее демонтированного рекомендуется удалить остатки припоя с печатных проводников платы с помощью вакуумного паяльника SX–80 или оплётки.



На фотографии показаны остатки припоя на печатных проводниках после демонтажа
QFP –компонента конвекционным методом.


Демонтаж корпусов типа BGA, QFP, PLCC, SOIC и CHIP

Широкий выбор сопел для всех BGA , PLCC , QFP , TSOP , SOIC и CHIP –компонентов позволяет использовать систему ThermoFlo и для демонтажа любых поверхностных компонентов. При таком способе демонтажа компоненты сохраняют работоспособность, потому что в этом случае они подвергаются столь же безопасному нагреву с отработкой термопрофиля, как и при их серийном монтаже
в паяльных печах.



Для выполнения операции демонтажа необходимо:

1. установить на инструмент системы ThermoFlo соответствующее компоненту сопло, (поставляются отдельно, см. каталог наконечников);

2. подвести инструмент к компоненту, оставляя зазор не более 1мм;

3. опустить шток вакуумной присоски до соприкосновения с компонентом;

4. включить цикл отработки соответствующего термопрофиля.

За 5 секунд до окончания зоны пайки система автоматически включает вакуумный захват и подает звуковой сигнал оператору о том, что компонент готов к подъёму с платы.


Источник материалов: http://www.argus-x.com

[DarkKnight]

Интересный материал! Отправил им запрос на каталог с ценами. Уж очень интересно скока это всё стоит....

[Persona]

Обалдеть! Я про форум, а не про сам материал. Накопал вчера этот форум. До сих пор не могу в себя прийти. Admin - молодец!!!