3.2. Домашние задания и методические указания по их выполнению

3.2.1 Задание № 1

Изучить способы оплавления поверхностно смонтированных компонентов печатной платы и методы формирования термопрофиля.

Изучить способы и методы очистки печатных плат от остатков флюса и ионных загрязнений после сборки.

В отчёт занести сведения об основных способах и методах.

Методические указания по выполнению задания

Для группового оплавления поверхностно монтируемых компонентов на печатную плату существует несколько разных способов.

1. инфракрасный нагрев

2. конвекционный нагрев

3. парофазный нагрев

Печи могут быть камерные, конвейерные с разным количеством зон.

Конвекционный нагрев и, как следствие оплавление припойной пасты на печатной плате, происходит за счёт горячего воздуха преносящего тепло к компонентам и печатной плате. В конвекционной печи все участки платы получают одинаковое количество тепла.

В инфракрасных печах плоские поверхности получают больше тепла, т.к. инфракрасные лучи падают на них под прямым углом. Кроме того, компоненты разного цвета нагреваются по разному (темные и светлые). В конвекционных печах редко происходит перегревание или обгорание печатной платы, т.к. температура горячего воздуха не намного выше температуры плавления припоя.

В инфракрасных печах нагрев происходит за счёт керамических пластин, температура которых достигает 300÷600 ºС. Т.к. температура печатной платы стремится к температуре нагревателя, то при медленной скорости конвейера в инфракрасных печах печатная плата может обгореть.

Одним из преимуществ конвекционного нагрева перед инфракрасным является независимость процесса оплавления от цвета и глянца компонентов и контактных площадок печатной платы. При конвекционном нагреве температура на контактных площадках с компонентами и без них будет одинаковой, а при инфракрасном нагреве температура на необлуженной поверхности будет выше, чем облуженной, т.к. облуженная поверхность часть излучения будет отражать.

Процесс пайки компонентов в парогазовой фазе ввиду таких недостатков как дефицит инертных жидкостей, разогрев до температуры пайки всей печатной платы и компонентов, низкая скорость нагрева, экологические проблемы утилизации отходов разложения жидкости в настоящее время утратил область применения.

Зоны в печи делятся на зоны предварительного подогрева, зону оплавления, зону остывания. Скорость конвейера и температуру в зонах подбирают при составлении термопрофиля оплавления, руководствуясь требованиями по времени нахождения в зоне оплавления, требуемой температуры в зонах в соответствии с требованиями технических условий на примененные компоненты.

В зоне предварительного нагрева снижается тепловой удар на компоненты и печатную плату. В процессе предварительного нагрева при скорости нагрева не более 1÷3 °С/с происходит испарение растворителя из припойной пасты. Высокая скорость нагрева может приводить к преждевременному испарению растворителя, входящего в состав припойной пасты, и к целому ряду дефектов повреждения компонентов за счёт теплового удара, разбрызгиванию шариков припоя не предусмотренных конструкторской документацией. Разница в температуре предварительного нагрева и температурой оплавления не должна превышать 100 °С. В зоне стабилизации температуры активизируется флюсующая составляющая припойной пасты и удаляется избыток влаги из припойной пасты. Повышение температуры в этой зоне происходит очень медленно для того, чтобы все компоненты платы прогрелись до одинаковой температуры. На этой стадии активизации флюса происходит удаление окисной пленки с паяемых поверхностей. Время прохождения печатной платой зоны стабилизации от 60 до 120 с. Скорость роста температуры в этой зоне не более 0,6°С/с. Если стадия стабилизации проводится недостаточное время, то результатом могут быть следующие дефекты пайки: «холодная пайка», эффект «надгробного камня». В зоне оплавления температура повышается до температуры плавления припойной пасты и происходит формирование паяного соединения. Для образования надежного паяного соединения максимальная температура пайки должна на 30÷40 °С превышать точку плавления припойной пасты. Для предотвращения «холодной пайки» или перемычек припоя необходимо выдержать эту температуру в течении 60÷150 с. Скорость роста температуры в этой зоне не должна превышать 1÷3 °С/с. Быстрое охлаждение уменьшает образование интерметаллических соединений, однако появляются термические напряжения, приводящие к повреждению компонентов. Поэтому скорость охлаждения не должна превышать 6 °С/с. Окончательный выбор термопрофиля проводится исходя из конструкции печатной платы, типа и размеров компонентов, количества компонентов на печатной плате, особенностей используемого оборудования, типа припойной пасты и результатов экспериментальных паек.

3.2.2 Задание № 2

Выбор технологии отмывки печатных плат зависит от примененных флюсов или припойной пасты и от имеющегося оборудования. Виды отмывки: ручной, автоматизированный. Ручной это отмывка в спирте или спирто-нефрасовой смеси кисточкой методом окунания. Этим методом невозможно добиться очистки под корпусами ПКИ, повторяемости процесса. Спирто-нефрасовая смесь при высыхании оставляет белый налет, который состоит из растворенных остатков флюса и солевого остатка, который возникает при испарении смеси. К автоматизированным методам отмывки относятся:

- ультразвуковая;

- струйная (струи в воздухе);

- струйная (струи в объеме);

- барботирование.

Каждый из этих методов имеет достоинства и недостатки.

Ультразвуковая отмывка

Отмывка в ультразвуковых ваннах осуществляется за счёт эффекта кавитации в промывочной жидкости. «Схлопывание» кавитационных пузырьков образует ударные волны, которые воздействуют на поверхность погруженного в промывочную жидкость предмета. Процесс осуществляется в ванне из нержавеющей стали оснащенной генератором ультразвука и ультразвуковыми преобразователями. В процессе воздействия ультразвука температура промывочной жидкости повышается, поэтому использование в них спирто-нефрасовых жидкостей является повышенным риском. Ряд полупроводниковых компонентов не выдерживают воздействия ультразвука, о чём даются указания в ТУ на компонент. Несмотря на эти ограничения ультразвуковая отмывка считается наиболее качественной и экономичной.

Струйная отмывка

При струйной отмывке в воздухе печатный узел помещается в пустую камеру, а затем на него воздействуют струи моющего раствора, нагнетаемого помпой через форсунки. Преимущество струйной отмывки перед ультразвуковой заключаются в том, что она безопасна для компонентов чувствительных к ультразвуку. Ограничение струйных систем в невозможности использования промывочных жидкостей на основе растворителей или необходимости выполнения таких установок во взрывозащитном исполнении. В настоящее время это ограничение не существенно, т. к. современные промывочные жидкости на водной основе достаточно эффективны при удалении остатков любых флюсов. Другой вопрос, что конструкция установок струйной отмывки должна предусмотреть максимальную эффективность отмывки с минимизацией теневых участков. В настоящее время получили распространение установки струйной отмывки, которые можно разделить на три группы:

I группа - отмывка проводится через форсунки, подающие моющий раствор под углом к печатному узлу.

II группа - отмывка проводится через вращающиеся форсунки, подающие моющий раствор перпендикулярно к печатному узлу.

III группа - отмывка проводится через форсунки, двигающиеся поступательно и параллельно печатному узлу, подающие моющий раствор перпендикулярно к печатному узлу.

Достоинство установок I группы это производительность. Такие установки используются только для отмывки печатных узлов и их можно одновременно загрузить большое количество. К ограничениям относится большой риск образования теневых зон, особенно если отмываемые печатные узлы большого размера. На установках группы II можно проводить отмывку, как печатных узлов, так и трафаретов. Преимущество этих установок в лучшем качестве отмывки по сравнению с установками группы I. Установки группы III аналогичны группе II, но с более низкой производительностью.

Отмывка по технологии «струи в объеме»

При данном виде отмывки печатный узел погружен в моющий раствор и струи моющей жидкости подаются под напором, а избыток моющей жидкости отводится. Преимущество этого способа отмывки по сравнению со струйной отмывкой «струя в воздухе» это лучшая отмывка под корпусами компонентов.

Барботирование

Барботирование не применяется в качестве основной технологии отмывки, а применяется как дополнение, например, к ультразвуковой отмывке. Принцип работы барботажа заключается в подаче сжатого воздуха в объём ванны наполненной промывочной жидкостью, за счёт чего производится её агитация. Этот метод хорош как дополнение к ультразвуковой отмывке или к ополаскиванию после отмывки. Время струйной отмывки, как правило, больше чем время ультразвуковой отмывки, и составляет 5-15 мин. Отмывочная жидкость должна быть подогрета (для большей эффективности) до 40-50 °С. Время ополаскивания после отмывки 5-15 мин. Во многих установках струйной отмывки предусмотрено ещё и финишное ополаскивание деионизованной водой, которое продолжается 2÷5 мин, а затем производится сушка печатного узла.