CC BY
195
В. Л. Ланин
ИНФРАКРАСНЫЙ НАГРЕВ В ТЕХНОЛОГИИ ПАЙКИ ИЗДЕЛИЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, ул. П.Бровки, 6, г. Минск, 220013, Республика Беларусь
Инфракрасное (ИК) излучение, обеспечивая высокую скорость локального бесконтактного нагрева и эффективность управления температурным профилем, наиболее перспективно для групповых технологий пайки. Из всего спектра ИК излучения с длинами волн в диапазоне 0,72-1000 мкм для пайки используется только небольшая часть диапазона: близкое - 0,72-1,5 мкм, среднее -1,5—5,6 и дальнее излучение - 5,6-10,0 мкм. Температура нагрева тела зависит от длины волны излучения, степени черноты или его отражающей способности, длительности облучения и массы. Интенсивность спектрального излучения ИК источника определяется как [1]:
I
• с • х
-5
f с2
'X-T
-1
(1)
где 8*. - спектральная степень черноты излучателя, Сь С2 - постоянные Планка, Т - температура излучателя.
Чем короче длина волны излучения, тем глубже оно проникает в тело, поэтому близкое ИК излучение обеспечивает более глубокое его проникновение по сравнению со средним и дальним. Различные материалы по-разному адсорбируют ИК энергию. Различают четыре условия передачи ИК энергии телу: отражение, непрозрачность, прозрачность и полупрозрачность. Поток энергии ИК спектра, достигая поверхности тела, частично отражается, частично поглощается и частично проходит через тело:
Ф
пад
— Ф + Ф + Ф
погл отр прох
(2)
В прозрачном материале ИК энергия проходит через него, не вызывая нагрева, в полупрозрачном - проникает на определенную глубину, вызывая нагрев тела. Эффективная мощность нагрева ИК излучением [2]:
P — к• е• S•AT , (3)
где к - константа Стефана-Больцмана, 8 - излучательная способность тела, S - площадь тела, AT — изменение температуры.
Из-за особенностей ИК излучения возникли проблемы в практическом применении его в групповой технологии пайки изделий электроники:
- неравномерность нагрева различных электронных компонентов вследствие разной степени поглощения энергии;
- невоспроизводимость режимов нагрева из-за рассогласования спектра излучения источника и спектров поглощения компонентов и платы;
- необходимость оптимизации режимов нагрева плат различной геометрии и массы, а также защиты поверхности ИК излучателей от испаряющихся флюсов;
- наличие затененных участков платы, где отсутствует прямое ИК излучение.
Первые разработки в области применения ИК нагрева для пайки основывались на использовании ИК ламп с температурой излучающего тела, превышающей 800—1100 0C. Так как температура пайки обычно находится в диапазоне 210—215 0C, то режимы нагрева значительно отличались от равновесных, что приводило к перегреву участков на поверхности платы, связанных с различной степенью черноты и массой компонентов.
© Ланин В. Л., Электронная обработка материалов, 2007, № 5, С. 91-96.
91
Лампы ИК излучения представляют собой вольфрамовую спираль, размещенную внутри герметичной кварцевой трубки, наполненной инертным газом. Чаще всего они устанавливаются внутри рефлектора, отражающего излучение на нагреваемый объект. Лампы и рефлекторы излучают в основном ИК энергию среднего, меньше ближнего и совсем мало дальнего спектра. Эта энергия составляет более 90% энергии, идущей на нагрев тела. Так как воздух практически прозрачен для ИК излучения, то он практически не нагревается, поэтому конвективная составляющая минимальна. Основные достоинства нагрева лампами ИК излучения: высокая скорость, низкая инерционность, возможность оперативного изменения температурно-временного профиля нагрева, относительная простота оборудования.
Атмосфера в зоне ИК пайки также оказывает влияние на ее качество. Чаще всего ИК установки работают в условиях воздушной атмосферы, однако присутствие кислорода в зоне пайки не всегда желательно, так как могут происходить окисление припоя и разрушение органических материалов. Поэтому в воздушной атмосфере ограничивается длительность цикла нагрева, который не должен превышать 100-150 с. Перспективно применение инертной среды: азота с малым содержанием кислорода и водородно-азотной смеси, что улучшает качество пайки за счет исключения окисления припоя, увеличения активности флюса и уменьшения количества остаточных ионных загрязнений на платах [3].
В технологии ИК пайки применяют три разновидности конструкций установок, отличающихся видом излучателей: ламповые, панельные и комбинированные [4]. Первые содержат несколько зон нагрева, в них установлен ряд трубчатых ИК ламп снизу и сверху транспортера, на котором размещаются монтируемые платы (рис. 1). В зоне оплавления располагается большее количество ламп, заключенных в отражающие рефлекторы, что позволяет создать большую плотность ИК излучения. В зоне предварительного нагрева лампы располагаются реже, что обеспечивает плавный режим нагрева и выравнивание температуры компонентов. Для удаления летучих соединений, образующихся при пайке, на выходе и входе из зоны нагрева используется система вытяжной вентиляции. На выходе находится система принудительного охлаждения плат.
Рис. 1. Установка лампового ИК нагрева: 1 - вытяжная вентиляция, 2 - матрица ИК ламп,
3- плата, 4 - ИК лампа, 5 - отражатель, 6 - устройство охлаждения,7 - конвейер
Аналогичную конструкцию имеют установки с панельным ИК нагревом в виде керамических панелей различной мощности, что позволяет осуществлять формирование необходимого температурно-временного профиля нагрева, но с меньшей степенью гибкости. Конструкция ИК панельного нагревателя включает три слоя. Лицевая сторона изготавливается из стекла, керамики или металла, и в зависимости от применяемого материала она может выполнять функции вторичного излучателя или прозрачного окна. Второй слой, или первичный нагреватель, изготавливается в виде фольги или спирали из резистивного материала. Третий слой из тугоплавкой керамики является изоляционным.
Широкое применение нашли панельные излучатели Panel IR System, работающие в среднем и дальнем спектре излучения 3-10 мкм, которые конструктивно представляют собой нагреваемые керамические панели больших размеров, работающие при температуре 200-450 0С [5]. Такие установки содержат воздушные камеры или камеры с инертным газом, поэтому 60% тепловой энергии к нагреваемым объектам доставляется за счет конвекции, а 40% - за счет ИК излучения среднего и дальнего спектра. Малая разница температур излучателя и объекта обеспечивает нагрев в равновесном режиме, однако теряются такие достоинства, как безинерционность и гибкость регулирования режимов.
В установках панельного типа нагрев производится как за счет излучения, так и конвекции, потому что ИК излучение в спектре 5-8 мкм хорошо поглощается воздухом. Установки такого типа могут содержать несколько зон предварительного нагрева с расположением нагревателей с одной или двух сторон конвейера, что повышает скорость конвейера. Панельные нагреватели обеспечивают более равномерный нагрев плат, кроме того, средний и дальний ИК спектр не чувствителен к цвету
92
нагреваемых объектов (при температуре ниже 600 C). Такие нагреватели менее чувствительны к загрузке зоны нагрева. Недостатком установок является их инерционность к изменению режимов и профиля зоны нагрева, так как каждая из панелей имеет неравномерное температурное поле по площади поверхности. В частности, панели с металлической лицевой частью имеют более низкую температуру по краям, в то время как панели с прозрачной для ИК излучений лицевой поверхностью имеют большую температуру в зоне кромок.
Большую гибкость и возможность использования преимуществ лампового и панельного нагрева обеспечивают комбинированные системы, в которых панельные и ламповые ИК нагреватели образуют необходимое количество зон нагрева. В первой и второй зонах осуществляется предварительный нагрев изделия с помощью панельных нагревателей, обеспечивающих равномерный нагрев и заданную температуру. Расплавление припойной пасты происходит в третьей зоне с помощью кварцевых ИК ламп, после чего изделие охлаждается в четвертой зоне. Печатные платы транспортируются через установку на ленточном конвейере. Установки снабжены встроенной микропроцессорной системой для программного управления режимами нагрева плат, контроля всех систем с отображением результатов на дисплее.
ИК установки типа “Радуга”, предназначенные для оплавления припойных паст при сборке плат с применением поверхностно монтируемых компонентов, позволяют осуществлять пайку как с одной стороны, так и одновременно с двух сторон печатной платы. Установки состоят из нагревательной камеры с регулируемой температурой плоских нагревателей 100-300 0С и пульта управления. Конструкция установки предусматривает ручную подачу печатных плат. Измеритель температуры, регулирующий ТРМ-10 совместно с микропроцессорным управлением, обеспечивает точность поддержания температуры. Значения температуры на поверхности нагревателей измеряются термопарой ХК и используются входными параметрами системы регулирования. Временной интервал пайки задается цифровым таймером МТЦ 3501. Измеритель температуры ИТ 2511 контролирует температурный режим печи во времени.
Конвейерная установка ИК пайки “Радуга-21”состоит из 5-зонной нагревательной камеры с регулируемой по зонам температурой пайки ИК нагревателей; конвейера с регулируемой скоростью для подачи печатных плат с установленными элементами в нагревательную камеру; пульта управления; загрузочного и разгрузочного устройств; электрооборудования. Установка с шириной конвейера 400 мм, длиной нагревательной камеры 1100 мм при скорости конвейера от 0,015 до 2 м/мин обеспечивает равномерность нагрева платы шириной 350 мм ± 2 0С в направлении, перпендикулярном движению.
В устройствах ИК пайки, состоящих из нижнего нагревателя, размещенного под платой и предназначенного для предварительного нагрева ее до температуры 100 0С, и верхнего излучателя с системой фокусировки теплового излучения для нагрева монтируемых компонентов до температуры оплавления припоя в пределах 220-260 °С, необходима оптимизация температурных профилей (рис. 2). Оптимизируются такие технологические параметры, как скорость нагрева в рабочей зоне в зависимости от мощности нагревателей и их расстояния до платы, интенсивность и локальность нагрева. Образцами паяемых изделий служат печатные платы, в металлизированные отверстия которых закрепляют микротермопары типа ХК, соединенные с цифровыми измерителями температуры, либо платы с установленными SMD, такими как чип резисторы, диоды, стабилитроны, конденсаторы, микросхемы.
Рис. 2. Схема оптимизации профилей ИК нагрева: 1 - плата, 2 - термопара, 3 - рефлектор, 4 - верхний нагреватель, 5 - маска, 6 - регулируемый блок питания, 7 - нижний ИК нагревателя, 8 - цифровой измеритель температуры
93
Скорость нагрева верхнего нагревателя мощностью 500 Вт с рефлектором составляет 3-5 0С/с; верхнего и нижнего нагревателя мощностью 500 Вт - до 10 0С/с. Применение защитной маски повышает скорость нагрева до 15°С/с за счет отражения, увеличивая степень локализации нагрева. Дальнейшее увеличение скорости нагрева возможно за счет улучшения качества параболических рефлекторов и повышения их отражающей способности. Скорость роста температуры в зоне пайки снижается с увеличением расстояния от ИК нагревателя до платы: для верхнего в 2 (рис. 3) и для нижнего в 3 раза (рис. 4).
Исследована равномерность зоны теплового поля нагрева верхних и нижних ИК нагревателей. Изотермические зоны: центральная со скоростью нагрева >5 0С/с имеет форму круга, последующие зоны - овальные, что обусловлено прямоугольной формой рефлектора (рис. 5,а). На рис. 5,б изображены зоны теплового поля ИК нагревателя с маской прямоугольной формы 4^4 мм. Изотермы имеют квадратную форму со стороной 6 мм при V>3 °С/с, 12 при V=2,2 и 18 мм при V<1 0С/с. Применение отражающих экранов различной формы увеличивает локальность нагрева. Наибольшая скорость нагрева 15°С/с достигается при снижении расстояния от платы до верхнего ИК нагревателя. Применение качественного отражающего рефлектора для ИК источника позволяет при той же интенсивности нагрева вдвое уменьшить потребляемую мощность и заменить водяное охлаждение воздушным принудительным.
Повышение локальности ИК нагрева за счет светоотражающей маски не оказывает существенного влияния на скорость роста температуры, уменьшая в целом только нагрев платы. Оптимальные режимы ИК пайки следующие: предварительный нагрев нижним нагревателем платы до 90-110 0С со скоростью 6-8 0С/с, нагрев верхним и нижним нагревателями до температуры пайки со скоростью 10-14°С/с. При необходимости локализации нагрева для термочувствительных элементов применяют светоотражающую маску.
грева верхнего ИК излучателя при расстояниях грева нижнего ИК излучателя при расстояниях до платы, мм: 1 - 15, 2 - 25, 3 - 35 до платы, мм: 1 - 10, 2 - 20, 3 - 30, 4 - 40, 5 - 50,
6 - 60
Рис. 5. Зоны теплового поля V верхнего излучателя, 0С/с : а): 1 - >5 ; 2 - =5 ; 3-=3,8; 4 - =3,3; 5 - <2,2; б): 1 - >4; 2 - =2,2; 3 - =1,1; 4 - <0,5
Режимы пайки оплавлением паяльных паст определяются температурным профилем, который оптимизирован для ИК печей (рис. 6). Стадия предварительного нагрева снижает тепловой удар на электронные компоненты и печатные платы. При скорости нагрева не более 1-3 0С/с происходит испарение растворителя из паяльной пасты. Высокая скорость нагрева приводит к преждевременному
94
испарению растворителя и целому ряду дефектов: повреждению компонентов за счет теплового удара, разбрызгивания шариков припоя и возникновению перемычек. Разница температур предварительного нагрева и оплавления не должна превышать 100 °С.
Рис. 6. Оптимальный температурный профиль пайки ИК нагревом для оловянно-свинцовых припоев
Стадия стабилизации активизирует флюсующую составляющую и удаляет избыток влаги из паяльной пасты. Повышение температуры на этой стадии происходит со скоростью 0,6 0С/с для нагрева всех компонентов на плате до одинаковой температуры. На стадии активации флюса (60-120 с) происходит удаление оксидной пленки с паяемых поверхностей. При более коротком времени могут образовываться дефекты типа “холодная пайка”. На стадии оплавления температура повышается до расплавления паяльной пасты и происходит формирование паяного соединения. Для образования надежного паяного соединения максимальная температура пайки должна превышать на 30-40 0С температуру плавления пасты. Для предотвращения таких дефектов, как холодная пайка или перемычки припоя, необходимо выдержать температуру корпусов электронных компонентов выше температуры расплавления припоя в течение 10-30 с. Скорость нагрева от момента достижения платой температуры плавления припоя до максимальной не должна превышать 1-3 0С/с.
Быстрое охлаждение уменьшает образование интерметаллидных соединений, однако при слишком большой скорости охлаждения возникают термические напряжения, приводящие к повреждению компонентов. Скорость охлаждения платы не должна превышать 6 0С/с. Окончательный выбор режимов производится с учетом конструкции печатной платы, типа и размеров компонентов, количества компонентов на плате, особенностей оборудования, результатов экспериментальных паек, типа паяльной пасты.
Для измерения температурного профиля ИК установки групповой пайки применен цифровой трехканальный термометр ТЕРМОСКОП ТА-570м, обеспечивающий построение термографиков в реальном масштабе времени на экране компьютера с передачей данных по каналу связи RS-232C и одновременной индикацией измеренных значений на встроенном дисплее. Датчиками температуры выбраны миниатюрные высокоточные платиновые терморезисторы стандарта DIN EN60751, которые в отличие от термопар подключаются без соблюдения полярности. Отпадает проблема с подгонкой термопар различного типа и не требуется дополнительно холодный спай. Термопары при установке на плоскую поверхность имеют точечный контакт, в отличие от этого терморезисторы, имеющие форму прямоугольника, обеспечивают хороший тепловой контакт по всей плоскости и поэтому более точно отображают температуру элементов. Прибор имеет диапазон измерения температуры до +500 0C и разрешающую способность: в автономном режиме 1 0C, при работе с компьютером 0,1 0C. Основная погрешность измерения прибора в диапазоне температур до (350 ± 2) 0C; периодичность замеров в автономном режиме 1,5 с.
Анализ термопрофиля пайки показал, что общая длительность процесса составляет 240 с (рис. 7). Стадия предварительного нагрева длительностью 120 с с градиентом роста температуры 1 0С/с обеспечивает защиту электронных компонентов от теплового удара. Стадия термостабилизации в течение 70 с при градиенте температуры 0,5 0С/с создает равномерный прогрев всех компонентов на плате, что предотвратит появление таких дефектов, как «холодная пайка» и «надгробный камень». Стадию оплавления плата с компонентами проходит за 80 с. На всех паяемых элементах дос-
95
тигнуты одинаковые значения пиковой температуры, равной 2250С. Выдержка при пиковой температуре в течение 15 с обеспечивает качество всех паяных соединений.
Рис. 7. Температурный профиль ИК нагрева установки “Радуга-21”
Стадия охлаждения имеет градиент снижения температуры 2 0С/с, что приемлемо для припоев на основе сплавов олово-свинец. Однако для бессвинцовых припоев с содержанием олова до 96% для предотвращения образования интерметаллидных соединений и роста «усов» олова необходимо обеспечивать принудительное охлаждение платы с градиентом 4 0С/с. Анализ причин возникновения дефектов поверхностного монтажа показывает, что одной из причин их образования является неоптимальность температурного профиля пайки.
Применение ИК пайки является новым перспективным направлением в технологии поверхностного монтажа (SMT), которое обеспечивает уменьшение затрат на эксплуатацию оборудования при одновременном повышении качества паяных соединений. ИК нагрев выгодно отличается тем, что имеет более простое оборудование, которое намного экономичнее и целесообразнее для поверхностного монтажа изделий.
ЛИТЕРАТУРА
1. Зворыкин Д.Б., Прохоров Ю.И. Применение лучистого инфракрасного нагрева в электронной промышленности. М.: Энергия, 1980.
2. Henderson I., Browne V. IR Plus Hot Platen Heating Offers Another Option for Reflow Soldering / EPP, 1989. V. 29, №9. P. 78-80.
3. WassinkK.R.J. Soldering in Electronics. Ayr, Scotland, Electrochem. Publ.,1989.
4. Технология поверхностного монтажа // С.П. Кундас, А.П. Достанко, Л.П. Ануфриев и др. Мн.: Ар-мита, 2000.
5. Manko H.H. Solders and Soldering: Materials, design, production and analysis for reliable bonding. N.Y., 2000.
6. Ланин В.Л. Эффективность нагрева концентрированными потоками энергии при пайке в электронике // Электронная обработка материалов. 2002. № 2. С.17-20.
7. Ланин В.Л., Капралов В.В. Инфракрасный нагрев в технологии поверхностного монтажа // Проблемы проектирования и производства радиоэлектронных средств: Материалы III Международной научно-техн. конф., т. 1. Новополоцк, 2004. С.81-84.
8. Ланин В.Л., Хилькевич А.Н. Двусторонний поверхностный монтаж электронных модулей // Известия Белорусской инженерной академии. 2003. № 1(15)/4. С.145-147.
Summary
Поступила 05.04.07
Parameters of infrared heating for the soldering of surface mount electronics devices are investigated and optimized. IR radiations heating have some advantages: high speed, low inertness, relative simplicity of the equipment, and an opportunity of operative change of a temperature-time structure of heating.
96
