reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
reklama
© pelfophoto dreamstime.com Technologie | 30 października 2015

Technologia lutowania w oparach (część II).

W drugiej części artykułu zaprezentowano zagadnienia związane z kontrolą transferu ciepła w procesie lutowania w oparach.
3. Kontrola transferu ciepła w procesie

3.1 Transfer ciepła w przeszłości

Pierwsze urządzenia do lutowania w parach nie dawały użytkownikowi zbyt wielu możliwości kontrolowania temperatury na obwodzie drukowanym. Płytki były transportowane w trybie in-line wzdłuż urządzenia. Gradient temperatury był stosunkowo wysoki, co było krytyczne dla wielu elementów oraz samego obwodu drukowanego. Wynikało to z różnych współczynników rozszerzalności temperaturowej materiałów.


Rysunek 1: Standardowy model lutowania w oparach. PCB były zanurzane w parach, gdzie były podgrzewane i lutowane. Ochronna warstwa redukowała zbyt wysoki gradient temperaturowy oraz zmniejszała konsumpcję medium.

3.2 Transfer ciepła kontrolowany przez regulację mocy elementów grzejnych

Pierwszym krokiem w kontroli temperatury było sterowanie gradientem temperatury za pomocą mocy elementów grzejnych w wannie z medium. Więcej mocy oznaczało zwiększenie ilości pary w komorze procesu, a tym samym więcej energii cieplnej dostarczonej do obwodu drukowanego.

W trakcie procesu płytka znajdowała się lekko powyżej poziomu płynu w komorze procesowej. Podnosząca się para powodowała powstanie obojętnej atmosfery procesu, płytki były podgrzewane i lutowane bez obecności tlenu, dzięki czemu znacznie poprawiała się zwilżalność. Pomysł na takie rozwiązanie procesu lutowania w parach pozwalał na konstrukcję bardzo małych i funkcjonalnych urządzeń.

Takie podejście do procesu lutowania w oparach pozwoliło na wykorzystanie w szerszym zakresie możliwości tej technologii. Niestety ten sposób kontroli procesu nie jest zbyt wydajny ze względu na opóźnienie w czasie pomiędzy zmniejszeniem mocy grzałek a reakcją profilu temperaturowo - czasowego. Programowanie skomplikowanych profili jest bardzo trudne.

Zjawisko to można wyjaśnić na bardzo prostym przykładzie. Wyobraźmy sobie garnek z wodą postawiony na kuchence elektrycznej. Po włączeniu kuchenki, potrzebnych jest kilka minut, aby zagotować wodę w garnku. Natomiast po wyłączeniu kuchenki pod gotującą się wodą, jeszcze przez dłuższą chwilę woda będzie wrzała.

Niemniej jednak ten sposób kontroli temperatury procesu może być skuteczny w przypadkach liniowych profili temperaturowo - czasowych. W przypadku bardziej skomplikowanych obwodów drukowanych, gdzie wymagany jest profil z "plateau" ta metody sterowania ma soje ograniczenia.


Rysunek 2: Sterowanie mocą grzałek. PCB są umieszczane w komorze procesowej, proces podgrzewania jest kontrolowany przez sterowanie mocą elementów grzejnych. Zwiększenie mocy prowadzi do podniesienia poziomu pary.

3.3 Transfer ciepła kontrolowany przez zmianę głębokości zanurzenia PCB w komorze procesowej (tzw. Soft Vapour Phase).

Kolejnym krokiem w rozwoju technologii lutowania w parach, było wprowadzenie i opatentowanie procesu 'Soft Vapour Phase'. Jego zasada działania opiera się na kontrolowaniu transferu ciepła za pomocą sterowania głębokością zanurzenia w parach lutowanych elementów.


Rysunek 3: Tryb 'Soft Vapour Phase'. PCB jest przemieszczana w parach przez różne poziomy głębokości. Dzięki temu mamy możliwość programowania profili temperaturowo - czasowych o różnych kształtach.

Podstawową korzyścią płynącą z takiego rozwiązanie procesu lutowania w parach, jest możliwość sterowania gradientem narastanie temperatury na PCB za pomocą poziomów zanurzenia w parze w komorze procesowej. Dzięki temu mamy możliwość realizacji profilu lutowania z fazą "plateau", przy zachowaniu jego pełnej powtarzalności. Stosowanie tego typu profili znacznie redukuje ryzyko powstawania pustek, zapobiega powstawaniu efektu nagrobkowego oraz zmniejsza narażenia termiczne lutowanych elementów.


Rysunek 4: Profil lutowania w procesie 'Soft Vapour Phase' (rysunek posiada funkcję zoom)

Wykres pokazuje różne etapy procesu SVP. W pierwszym kroku, PCB jest umieszczana w parach w komorze procesowej, temperatura na płytce wzrasta. Drugi krok zaczyna się w momencie, gdy temperatura na płytce osiągnie żądaną temperaturę "plateau" - w tym przypadku jest to około 150ºC. Wtedy płytka jest podnoszona powyżej granicy pary w komorze procesowej. Po upływie około 60 s. płytka PCB ponownie jest zanurzana w parze, na różnych poziomach głębokości, za pomocą, których kontroluje się szybkość narastania temperatury do właściwej temperatury lutowania. Czas lutowania (czas powyżej rozpływu) jest programowalny i kontrolowany automatycznie. Dzięki temu ogranicza się możliwość nadmiernego wzrostu temperatury elementów i PCB, a jednocześnie osiąga się bardzo dobre efekty lutowania.

4. Podsumowanie

Proces lutowania rozpływowego z wykorzystaniem pieców konwekcyjnych, jest obecnie najpowszechniej stosowaną metodą montażu elektronicznego. W wielu przypadkach gwarantuje zadowalające rezultaty. Urządzenia są zwykle projektowane jako system in-line gwarantujące bardzo wysoką wydajność.

Technologia lutowania w oparach stała się w ostatnim czasie konkurencyjnym rozwiązaniem również w produkcji wymagającej bardzo dużej wydajności i bardzo wysokiej jakości lutowania. Para tak jak inne gazy wypełnia dokładnie wszystkie przestrzenie na powierzchni obwodu drukowanego umieszczonego w komorze procesowej.

Równomierny rozkład temperatury na całej powierzchni PCB jest zapewniony przez właściwości fizyczne procesu. W przypadku konwekcyjnych pieców lutowania rozpływowego, temperatura mierzona w różnych miejscach na PCB może różnić się o kilka stopni.

Fizyka procesu lutowania w oparach ogranicza maksymalną temperaturę w komorze procesowej, dlatego nie są wymagane żadne dodatkowe zabezpieczenia przed przegrzaniem elementów w trakcie lutowania. Wyeliminowanie takiego ryzyka pomaga zwiększyć długoterminową niezawodność połączeń. W piecach konwekcyjnych stworzenie profilu temperaturowo - czasowego wymaga czasem długiego przygotowania i wielu prób. Ryzyko przegrzania występuje, zwłaszcza na obwodach drukowanych, na których rozkład mas nie jest jednorodny.

W technologii lutowania w oparach szczytowa temperatura procesu jest tylko o kilka stopni (5ºC - 10ºC) wyższa od temperatury topnienia stopu bezołowiowego. Inne metody lutowania rozpływowego wymagają czasem temperatury wyższej o około 30ºC - 35ºC od temperatury topnienia stopu.

Niższa temperatura lutowania redukuje stresy termiczne w elementach elektronicznych oraz zapobiega delaminacji PCB. Zmniejszone jest też ryzyko "popcorningu" w układach BGA.


Rysunek 5: Proces lutowania rozpływowego. Defekty – zależność ciśnienia pary wodnej od temperatury w układach BGA w trakcie lutowania (efekt "popcorningu")

Proces lutowania w oparach zapewnia pozbawioną tlenu ochronną atmosferę poprawiającą zwilżalność, bez żadnych dodatkowych kosztów. Typowe zużycie energii w tym procesie wynosi 5 - 6 kW (najbardziej zaawansowane systemy in-line), jest to dużo mniej niż wielostrefowe, konwekcyjne piece lutowania rozpływowego.

Komora procesowa w urządzeniu do lutowania w parach jest bardzo dobrze odizolowana od otoczenia, dlatego emisja energii cieplnej do otoczenia jest znikoma, nie wymaga dodatkowych systemów klimatyzacji w obszarze produkcji.

Agregaty do lutowania w oparach są mniejsze niż piece konwekcyjne, zajmują mniej miejsca niż piece konwekcyjne w obszarze produkcji. Dzięki przedstawionym wyżej zaletom technologia lutowania w oparach może być alternatywą dla konwekcyjnych systemów lutujących, zarówno dzisiaj jak i w przyszłości.

© C.H.Erbsloeh, IBL

Artykuł opracowała firma C.H.Ersbloeh.

Komentarze

Zauważ proszę, że komentarze krytyczne są jak najbardziej pożądane, zachęcamy do ich zamieszczania i dalszej dyskusji. Jednak komentarze obraźliwe, rasistowskie czy homofobiczne nie są przez nas akceptowane. Tego typu komentarze będą przez nas usuwane.
reklama
reklama
reklama
reklama
Załaduj więcej newsów
December 08 2016 23:17 V7.6.3-1