Специфика внутреннего российского рынка электронной аппаратуры очень часто требует от производителя устанавливать в изделия компоненты, не допускающие применения технологий автоматизированного монтажа с групповой пайкой; их приходится монтировать на печатные платы вручную. Пожалуй, самая значительная группа таких компонентов — планарные микросхемы отечественного производства. В статье предлагается проверенная на практике технология, позволяющая автоматизировать их монтаж, исключив из процесса кропотливый ручной труд и связанные с ним ошибки, потери времени и удорожание конечного продукта. Технология разработана на базе процесса лазерной селективной пайки.
Лазер вместо паяльника
В силу конструктивных особенностей планарные микросхемы отечественного производства не позволяют применять групповые методы при их пайке (например, пайка в печи оплавления припоя), поскольку воздействие высоких температур (220–240 °С) приводит к повреждению корпуса и самого кристалла. До настоящего времени процесс пайки планарных микросхем осуществляется вручную, с помощью паяльников, что не позволяет автоматизировать весь процесс их монтажа на печатные платы.
В поисках решения проблемы автоматизации пайки планарных микросхем специалисты ООО «Совтест АТЕ» исследовали возможность использования в этих целях оборудования для лазерной селективной пайки. Такая пайка широко применяется в электронной промышленности. Что же делает лазерную пайку эффективным элементом технологии автоматизированного монтажа электронных устройств?
К лазерному источнику, используемому в аппаратуре селективной пайки, предъявляются два принципиальных требования: возможность управления выходной мощностью и обеспечение ее непрерывности. В составе паяльной головки установки селективной пайки источник дополняется подвижной оптической системой, фокусирующей излучение в конический пучок. Это исключает формирование овального пучка и позволяет перемещать оптику так, чтобы излучение всегда было точно направлено на место пайки (рис.1).
Рис.1. Управление положением оптики позволяет регулировать диаметр пятна конического пучка лазерного излучения на ПП
Лазерные системы безынерционны, не требуют применения в зоне пайки инертного газа и потребляют сравнительно немного электроэнергии. В схеме управления движением головки и мощностью излучения в качестве обратной связи используются быстродействующие устройства высокоскоростного измерения температуры, такие как пирометры, способные определять температуру в области пайки менее чем за 10 мс. Это позволяет с высокой точностью выдерживать правильный температурный профиль (рис.2), предотвращая такие дефекты, как образование пустот или «холодная» пайка, в том числе в особых случаях — например, когда контактные площадки присоединены к земляной шине, когда выполняется пайка многослойных плат или когда велика теплоемкость паяемых компонентов.
В целом технология лазерной селективной пайки обеспечивает высокое качество и воспроизводимость паяльных операций при хорошей эксплуатационной гибкости и, что особенно важно, позволяет безопасно паять при высокой температуре чувствительные к тепловому воздействию компоненты.
Рис.2. Точная отработка температурного профиля пайки, которая обеспечивается путем управления мощностью лазера с обратной связью по температуре, реализуемой быстродействующим пирометром. На рисунке: лиловая линия — заданный температурный профиль; серая линия — мгновенные значения мощности лазера; оранжевая линия — реальный температурный профиль, измеренный в точке пайки
Паяем планары
До сих пор лазерная селективная пайка используется почти исключительно при работе с компонентами, монтируемыми в отверстия (ТНТ-компонентами). При этом в зону пайки подается не только энергия в виде лазерного луча, но и припой, для чего на паяльной головке монтируется питатель для припоя. Особенность предлагаемого метода лазерной пайки планарных компонентов состоит в том, что из процесса исключается припой (рис.3) и, соответственно, питатель.
Рис.3. Пайка ТНТ-компонента (слева); пайка планарного компонента (справа)
Вместо этого на контактные площадки печатной платы, где будут установлены планарные микросхемы, наносится паяльная паста – так же, как при поверхностном монтаже. Затем на паяльную пасту устанавливаются микросхемы (рис.4), после чего в установке для лазерной селективной пайки производится оплавление паяльной пасты под выводами микросхем (рис.5).
Рис.4. Планарные микросхемы, установленные на паяльную пасту
Рис.5. Паяные соединения после оплавления паяльной пасты
Следует отметить, что с точки зрения работы с планарными компонентами лазерная технология имеет ряд преимуществ по сравнению с другими способами селективной пайки. Процесс осуществляется без механического контакта источника нагрева с областью пайки, что позволяет паять самые легкие компоненты, даже если применение клея для их фиксации не допускается. Высокая энергия лазерного луча при малом его сечении дает возможность монтировать компоненты на весьма небольшие площадки, оперировать микросхемами, имеющими малый шаг выводов.
После продолжительных исследований, в ходе которых отрабатывались детали процесса, подбирались применяемые материалы и режимы, проверялись возможности штатного программного обеспечения применительно к новому варианту использования оборудования, ООО «Совтест АТЕ» в 2009 году успешно внедрило новую технологию на российском предприятии — ОАО «Завод «Радиоприбор» в Санкт-Петербурге (фотографии платы на рис.4 и 5 сделаны там). Решение реализовано на базе установки для лазерной селективной пайки FIREFLY T60, и результаты, полученные в процессе повседневной эксплуатации, совпали с ожидаемыми. Нововведение позволило автоматизировать и значительно оптимизировать производственный процесс, повысить качество продукции, избежать возможных ошибок в работе, минимизировать затраты на расходные материалы, уменьшить временные и трудовые затраты предприятия. Поскольку в аппаратной части установки ничего не менялось, она сохраняет возможность выполнять свое основное предназначение — паять ТНТ-компоненты. Таким образом, с учетом внедренного ноу-хау, установка позволяет одновременно выполнять пайку ТНТ-компонентов и планарных микросхем без переналадки оборудования. Появляется возможность дальнейшего совершенствования производственной линии путем введения в ее состав автоматов для нанесения паяльной пасты и установки компонентов.
Почему FIREFLY?
Система лазерной селективной пайки FIREFLY Т60 на момент выбора установки для первого опыта промышленного применения новой технологии была одной из самых совершенных — компания Seica (Италия) вывела ее на рынок в 2007 году — и отличалась высокими эксплуатационными характеристиками. Она дает возможность индивидуально программировать температурный профиль для каждой точки пайки. При этом профиль разбит на три стадии. Первая стадия — нагрев контактной площадки и поверхности вывода. На второй стадии задается более высокая температура (мощность излучения максимальна), происходит расплавление паяльной пасты и, в основном, формирование паяного соединения. На третьей, финальной стадии мощность уменьшается до величины, удерживающей припой в расплавленном состоянии для завершения смачивания.
Для максимальной реализации достоинств лазерной технологии в системе FIREFLY Т60 все рабочие элементы смонтированы на паяльной головке (рис.6, 7). Источник лазерного излучения мощностью 60 Вт соединен с оптической системой при помощи гибкого оптоволоконного кабеля, что позволяет последней двигаться, как показано на рис.1, устанавливая необходимый диаметр лазерного пятна. Быстродействующий оптический пирометр обеспечивает время единичной пайки в пределах 1,2 с при строгом соблюдении температурного профиля. В системе подачи проволочного припоя (при пайке ТНТ-компонентов) организована обратная связь с использованием датчика, установленного в наконечнике питателя припоя. Имеется датчик, обнаруживающий деформацию платы, что гарантирует точность фокусировки лазерного луча. В центре паяльной головки установлена видеокамера, позволяющая контролировать процесс пайки на любом этапе производства; записи камеры сохраняются для последующего детального анализа.
Рис.6. Паяльная головка установки FIREFLY T60 (вид сбоку)
Рис.7. Паяльная головка в рабочем положении
Возможность вращения паяльной головки обеспечивает доступ к любому месту пайки и способствует улучшению смачиваемости припоем поверхностей больших размеров. Встроенная система периодической проверки работы лазера и пирометра сокращает время обслуживания установки и упрощает работу персонала.
В заключение отметим, что применение установки FIREFLY Т60 в новом для нее качестве – как системы для пайки планарных компонентов – не потребовало доработок штатного программного обеспечения. При задании нескольких стандартных параметров — длины и ширины площадки, толщины вывода – ПО автоматически строит режим пайки для планарного вывода — с таким же успехом, как для штырькового. Компания Seica выпускает несколько моделей установок лазерной селективной пайки серии FIREFLY: FIREFLY T60 — с верхним расположением паяльной головки, FIREFLY B60 — с нижним расположением паяльной головки, и FIREFLY C60 — с двумя паяльными головками (одна сверху, вторая снизу). Более подробную информацию об установках FIREFLY Вы можете узнать у специалистов компании ООО "Совтест АТЕ", являющейся официальным дистрибьютором фирмы Seica.
Автор: Валерий Ефанов,
vefanov@sovtest.ru
