СПОСОБ ПАЙКИ ИЗДЕЛИЙ Российский патент 1997 года по МПК B23K1/00 

Изобретение относится к области пайки, в частности к способами пайки локальным нагревом печатных плат со смешанным монтажом, включающим штырьковые и планарные навесные и поверхностно-монтируемые изделия в различной комбинации их размещения как на односторонних, так и двусторонних печатных платах.

Известен способ и устройство для пайки и отпайки печатных плат методом оплавления припоя с использованием ИК-излучения. В соответствии с данным способом печатная плата (ППЛ) последовательно проходит через группу излучателей ИК-печи, причем сначала происходит предварительный нагрев, затем пайка (отпайка) и после этого охлаждение печатной платы. Отличительной особенностью известного способа является то, что во время нагрева и охлаждения ППЛ находятся в движении, а во время пайки (отпайки) неподвижна. Контроль температуры ППЛ во время пайки осуществляется ИК-датчиком. Для удаления припоя во время пайки (отпайки) ППЛ, а также для их охлаждения используют газовый поток, создаваемый вентилятором [1]
Недостатком известного способа является то, что технологическим процессом не предусмотрен температурный контроль ответственных изделий, устанавливаемых на ППЛ, что не исключает местный перегрев паяемых изделий различных типоразмеров таких как штырьковых и планарных навесных и поверхностно-монтируемых изделий в различной комбинации их размещения как на односторонних, так и двусторонних печатных платах. Наличие ИК-датчика дает общую картину нагрева в зоне пайки, но не учитывается температурный профиль нагрева отдельных компонентов, что не дает возможность произвести пайку одновременно поверхностно-монтируемого изделия, например монолитного конденсатора, штырькового навесного изделия, каким является переключатель и планарного навесного изделия, например микросхемы. Проблематичным является осуществление пайки без прокладки между элементами. Эти недостатки существенно влияют на качество пайки и на трудоемкость технологического процесса пайки.

Наиболее близким по своей сущности является способ пайки элементов, монтируемых на поверхности двусторонних печатных плат [2] Способ включает нанесение припоя в зону монтажа, установку изделий с одной стороны печатной платы с креплением их, переворачивание платы, установку на фиксаторы технологической кассеты, доустановку монтируемых изделий с другой стороны платы, нагрев до температуры пайки тепловым источником с использованием ИК-излучения или горячего газа.

Недостатком этого способа является низкое качество пайки из-за наличия вкраплений расплавленного припоя на поверхности приклеиваемых монтажных элементов кроме того, в процессе пайки волной расплавленного припоя возможны перемычки, что существенно сказывается на качестве электрических параметров поверхностно-монтируемых изделий. Другим недостатком прототипа является возможность перегрева поверхностно-монтируемых изделий, что приводит к растрескиванию керамики. Существенным недостатком прототипа является повышенная трудоемкость технологического процесса пайки, связанная с необходимостью приклеивания монтажных элементов с нижней стороны ППЛ, последующей обработкой УФ-излучением для отверждения клея и проведение процесса пайки снизу погружением в расплавленный припой или волной припоя. Недостатком является также большие энергетические затраты, необходимые для осуществления способа пайки элементов, монтируемых на поверхности двусторонних печатных плат.

Целью изобретения является повышение качества пайки и снижение трудоемкости процесса.

Цель достигается тем, что перед пайкой определяют позонное распределение температуры в тепловом источнике с помощью установленных датчиков температуры, определяют заданный режим пайки, наносят припой в виде паяльной пасты до монтажа, устанавливают датчики температуры в места монтажа контролируемых изделий. Крепление смонтированных изделий на одной стороне платы осуществляют теплоизолирующей прокладкой из композиции с использованием сырой силиконовой резины, отлитой из формы, соответствующей профилю и типоразмерам изделий, производят пайку оплавлением припоя, пропуская контрольную печатную плату сквозь зоны предварительного нагрева, пайки и принудительного охлаждения газовым потоком, направленным по ходу движения печатной платы в тепловом источнике, снимая диаграмму распределения температуры в местах монтажа контролируемых изделий, оценивают качество паяных соединений и изделий, определяют оптимальный режим пайки и производят пайку кондиционных печатных плат в установленном режиме.

Способ осуществляют следующим образом.

Экспериментальным путем определяют позонное распределение температуры в тепловом источнике, например в специальном технологическом полуавтомате пайки, ПИЖМ. 442212,034, с помощью установленных, например в поддоне, датчиков температуры, производят определение заданного режима пайки в соответствии с разработанной Методикой определения температурных градиентов в зонах предварительного нагрева и пайки полуавтомата пайки ПИЭМ. 442212.034,
Для этого производят следующие операции.

Включают полуавтомат по схеме:
включают вытяжную вентиляцию;
включают проточную воду для охлаждения отражателей;
подключают полуавтомат к сети электропитания при помощи сетевой вилки;
включают питание полуавтомата от сети автоматическим выключателем
нажимают на кнопку "Пуск", при этом включаются пускатель, включающий вентиляторы системы воздушного охлаждения изделий после пайки, задатчик сигнала скорости движения транспортера, система электропитания от агрегата управления.

Плавно, по показаниям микроамперметра поворачивают по часовой стрелке ручку резистора "Скорость" до достижения выбранной скорости движения транспортера, заданной технологическим регламентом.

Поочередно включают нагреватели технологических зон с помощью соответствующих переключателей в каждой из шести блоков управления нагревателями и выводят выбранный режим пайки, поочередным плавным поворотом по часовой стрелке потенциометров, соответствующих каждом из шести блоков нагревателей, контролируя ток с помощью микроамперметра, установленного на передней панели агрегата управления.

Термопары, установленные на поддоне полуавтомата пайки в соответствующих зонах предварительного нагрева и пайки подсоединяют к выходным клеммам потенциометра КСП-4И.

Включают потенциометр КСП-4И в положение "Вкл." и тумблер "Диаграмма" потенциометра, снимают показания прибора.

Производят анализ диаграммы температурных градиентов в зонах предварительного нагрева и пайки полуавтомата пайки.

Производят повторное измерение температурных градиентов, достигая воспроизводимость полученных результатов. При правильно выбранном режиме характер полученного температурного профиля процесса должен соответствовать типовому температурному профилю процесса пайки.

Выключают тумблер "Диаграмма" потенциометра КСП-4И и потенциометр в положение "Выкл. ". Отключают от выходных клемм потенциометра термопары, установленные на поддоне полуавтомата пайки.

Затем наносят паяльную пасту, например марки ПП-180, АУЭО.033.012ТУ, содержащую легкоплавкий припой ПОС 61, на монтажные и контактные площадки контрольной печатной платы методом трафаретной печати, устанавливают предварительно отформованные штырьковые навесные изделия в базовые отверстия и датчики температуры в места контролируемых изделий, например хромель-копелевые термопары. Навесные изделия, установленные в базовых отверстиях контрольной печатной платы, прижимают теплоизолирующей прокладкой, выполненной из композиции с использованием сырой силиконовой резины, отлитой из формы, соответствующей профилю и типоразмерам навесных изделий. Плату переворачивают и устанавливают на фиксаторы кассеты. Доустанавливают штырьковые навесные изделия в базовые отверстия печатной платы и устанавливают поверхностно-монтируемые изделия (ПМИ) на монтажные площадки контрольной печатной платы.

Термопары, установленные на контрольной печатной плате подсоединяют к выходным клеммам потенциометра КСП-4И. Включают потенциометр в положение "Вкл." и тумблер "Диаграмма".

Включают полуавтомат пайки, плавно по показаниям микроамперметра поворачивают по часовой стрелке ручку резистора "Скорость" до достижения выбранной экспериментальным путем скорости движения транспортера, заданной технологическим регламентом пайки изделий со смешанным монтажом.

Поочередно включают нагреватели технологических зон полуавтомата пайки с помощью соответствующих переключателей в каждом из шести блоков управления нагревателями и выводят установленный режим пайки, поочередным плавным поворотом по часовой стрелке потенциометров, соответствующих каждому из шести блоков нагревателей, контролируя ток с помощью микроамперметра, установленного на передней панели агрегата управления.

Устанавливают контрольную печатную плату на транспортер и производят контрольную пайку, предварительно включив потенциометр КСП-4И в положение "Вкл." и тумблер "Диаграмма" потенциометра, снимают показания прибора, пропуская контрольную печатную плату сквозь зоны предварительного нагрева, пайки и принудительного охлаждения газовым потоком, направленным по ходу движения печатной платы в тепловом источнике полуавтомате пайки ПИЖМ.422212,034. Снимают диаграмму распределения температуры в местах монтажа контролируемых изделий, производят анализ диаграмм температурных градиентов в местах монтажа контролируемых изделий, где установлены хромель-копелевые датчики температуры и производят анализ диаграмм, оценивают качество паяных соединений к изделий. Выявляют дефекты паяных изделий по температурному режиму и корректируют режим пайки таким образом, чтобы можно было в одном режиме произвести качественную пайку как штырьковых навесных изделий, так и ПМИ. После проведения ряда контрольных паек определяют оптимальный режим пайки и производят по нему пайку кондиционных печатных плат в установленном режиме.

По предложенному способу пайки изделий была произведена пайка печатных плат к радиоприемнику "Олимпик 307" со смешанным монтажом как штырьковых навесных, так и поверхностно-монтируемых изделий (ПМИ). Перед пайкой определено позонное распределение температуры в тепловом источнике с помощью установленных в поддоне полуавтомата датчиков температуры хромель-копелевых термопар, результаты которых сведены в табл.1.

Одновременно с определением позонного распределения температуры в тепловом источнике, анализом экспериментальных работ и определением заданного режима пайки на монтажные и контактные площадки контрольной печатной платы методом трафаретной печати наносят паяльную пасту марки ПП-180, АУЭО.033.012 ТУ, затем устанавливают хромель-копелевые датчики температуры в места монтажа контролируемых изделий или их имитаторов, а именно: cетевого переключателя, контура с пластмассовым сердечником в алюминиевом корпусе с медным теплоотводом, катушки индуктивности с пластмассовым корпусом с медным теплоотводом.

Затем в базовые отверстия печатной платы устанавливают предварительно отформованные штырьковые навесные элементы, включая контуры и катушки индуктивности, микросхемы со штырьковыми выводами, которые прижимают теплоизолирующей прокладкой, выполненной из композиции с использованием сырой силиконовой резины, отлитой из формы, соответствующей профилю и типоразмерам навесных изделий. Печатную плату переворачивают, устанавливают на фиксаторы кассеты, доустанавливают штырьковые навесные изделия в базовые отверстия печатной платы, включая сетевой переключатель, устанавливают на контактные площадки поверхностно-монтируемые изделия, например монолитные керамические конденсаторы и чипы.

Термопары, установленные на контрольной печатной плате, подсоединяют к выходным клеммам потенциометра КСП-4И. Включают потенциометр КСП-4И в положение "Вкл." и тумблер "Диаграмма".

Включают полуавтомат пайки, плавно по показаниям микроамперметра поворачивают по часовой стрелке ручку резистора "Скорость" до достижения заданной скорости движения транспортера. Поочередно включают нагреватели технологических зон полуавтомата пайки с помощью соответствующих переключателей в каждой из шести блоков управления нагревателями и выводят установленный режим пайки поочередным поворотом по часовой стрелке потенциометров, соответствующих каждому из шести блоков нагревателей, и контролируя ток с помощью микроамперметра, установленного на передней панели агрегата управления.

Затем производят пайку оплавлением припоя ПОС 61, входящего в состав паяльной пасты ПП-180, АУЭО.033.012 ТУ, установив контрольную печатную плату на транспортер, предварительно включив потенциометр КСП-4И в положение "Вкл. " и тумблер "Диаграмма" потенциометра. Печатная плата с заданной скоростью проходят сквозь зоны предварительного нагрева, пайки и принудительного охлаждения газовым потоком, направленным по ходу движения транспортера с печатной платой. Снимают показания прибора КСП-4И с хромель-копелевых термопар, установленных на контрольной печатной плате в виде диаграммы распределения температуры в местах монтажа контролируемых изделий, печатную плату снимают с транспортера и отключают термопары от выходных клемм потенциометра КСП-4И и производят оценку качества паяных соединений и изделий.

Результаты определения температурных градиентов в зонах предварительного нагрева и пайки с использованием хромель-копелевых термопар, установленных на контрольной печатной плате сведены в табл.2.

Из расшифровки диаграмм определения температурных градиентов в зонах предварительного нагрева и пайки с использованием хромель -копелевых термопар, установленных на контрольной печатной плате с установленными на ней штырьковыми навесными и поверхностно-монтируемыми изделиями, включая ПМИ безвыводные видно, что при температуре нагрева в ножке переключателя в зоне пайки ниже 193^oС (см. табл.2 выписки из диаграмм NN 9, 10, 13, 6, 7, IX, X) припой ПОС 61, входящий в состав паяльной пасты ПП-180 не сможет расплавиться полностью, т.к. начальная температура плавления припоя ПОС 61 - 183^oС, а конечна температура плавления 190^oС, а температура нагрева до 200^oC является критичной, при этом имеет место непропай у выводов сетевого переключателя (см. табл. 2 выписки из диаграмм NN 1, 14, VIII), хотя для пайки контуров, конденсаторов К 50-35 и других ПМИ температура 205 - 217^oС достаточна для получения качественного паяного соединения. Cледовательно, оптимальным режимом пайки изделий со смешанным монтажом могут быть условия реализации технологического процесса пайки по диаграммам NN VI, VIa и XII, т.к. максимальная температура 238^oС, достигнутая в полости между ППЛ и теплоизолирующей прокладкой достаточна как для пайки выводов сетевого переключателя, крупногабаритный массивный металлический корпус которого сам по себе выполняет роль мощного теплоотвода, так и других, более мелких изделий, с меньшим коэффициентом теплопроводности, размещенных на ПП (контуры, катушки индуктивности, микросхемы, ПМИ (см. табл. 2, выписку из диаграммы N VI)). Из расшифровки диаграмм NN VIа и X видно, что режим пайки при скорости движения транспортера 0,4 м/мин может быть оптимальным, т.к. в ножке переключателя сетевого достигнута температура 203 210^oС, что достаточно для последующего получения качественного паяного соединения сетевого переключателя с ПП, а температура 230 245^oС, достигнутая возле конденсатора К-50-35 является также достаточной для пайки, хотя желательно получить более низкую температуру пайки, ибо эта температура является критичной с точки зрения влияния на корпус керамического монолитного конденсатора (возможно растрескивание).

Таким образом, проведя дополнительную коррекцию режима пайки изделий со смешанным монтажом можно достигнуть оптимального технологического режима пайки кондиционных печатных плат в установленном режиме.

Cпособ пайки изделий по предложенному техническому решению прошел испытания в условиях крупносерийного производства на двух предприятиях Украины, по результатам работы разработан технологический процесс способа пайки изделий по предлагаемому техническому решению, показано достижение поставленной цели изобретения повышение качества пайки и значительное снижение трудоемкости процесса.

Другим преимуществом заявленного технического решения является то, что используя за явленный способ пайки изделий на производстве экономятся материалы, необходимые для производства выпускаемых изделий, большое количество дорогих комплектующих и сборочных изделий.

Использование: пайка локальным нагревом плат печатного монтажа со смешанным монтажом, включающим штырьковые и планарные навесные и поверхностно-монтируемые изделия в различной комбинации их размещения как на односторонних, так и двусторонних печатных платах. Сущность изобретения: способ пайки изделий, монтируемых на двустороннюю печатную плату, включает перед пайкой определение позонного распределения температуры в тепловом источнике с помощью установленных датчиков температуры, определения заданного режима пайки, нанесения паяльной пасты в зону монтажа, установление датчиков температуры в места монтажа контролируемых изделий, установку предварительно отформованных штырьковых и навесных изделий в базовые отверстия, крепление их теплоизолирующей прокладкой, выполненной из композиции с использованием сырой силиконовой резины, отлитой из формы, соответствующей профилю и типоразмерам навесных изделий, переворачивание печатной платы, установку ее на фиксаторы кассеты, доустановку штырьковых навесных изделий в базовые отверстия, установку поверхностно-монтируемых изделий на монтажные площадки и пайку оплавлением припоя, пропуская контрольную печатную плату сквозь зоны предварительного нагрева, пайки и принудительного охлаждения газовым потоком, направленным по ходу движения печатной платы в тепловом источнике, снимая диаграмму распределения температуры в местах монтажа контролируемых изделий, оценку качества паяных соединений и изделий, определение оптимального режима пайки и проведения процесса пайки кондиционных печатных плат в установленном режиме. 2 табл.

Способ пайки изделий, монтируемых на поверхности двусторонних печатных плат, включающий нанесение припоя в зону монтажа, установку изделий с одной стороны печатной платы с креплением их, переворачивание платы, установку на фиксаторы технологической кассеты, доустановку монтируемых изделий с другой стороны платы, нагрев до температуры пайки тепловым источником с использованием ИК-излучения или горячего газа, отличающийся тем, что перед пайкой определяют позонное распределение температуры в тепловом источнике с помощью установленных датчиков температуры, определяют заданный режим пайки, наносят припой в виде паяльной пасты, до монтажа изделий устанавливают датчики температуры на контрольной печатной плате в места монтажа контролируемых изделий, крепление смонтированных изделий на одной стороне платы осуществляют теплоизолирующей прокладкой из композиции с использованием сырой силиконовой резины, отлитой в форме, соответствующей профилю и типоразмерам изделий, производят пайку оплавлением припоя, пропуская контрольную печатную плату сквозь зоны предварительного нагрева, пайки и принудительного охлаждения газовым потоком, направленным по ходу движения печатной платы в тепловом источнике, снимая диаграмму распределения температуры в местах монтажа контролируемых изделий на контрольной печатной плате, оценивают качество паяных соединений и изделий, определяют оптимальный режим пайки, а затем производят пайку кондиционных печатных плат в установленном режиме.