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
Załaduj więcej newsów
februari 16 2017 22:20 V7.12.2-2