CC BY
61Новое поколение
паяльных станций
В связи с постоянной миниатюризацией электронных компонентов и устройств, все большее внимание в последнее время приходится уделять качеству монтажа компонентов на печатных платах. Пайка является на сегодняшний день, пожалуй единственным возможным способом монтажа, поскольку все прочие методы (контактная сварка и т. п.) имеют очень ограниченное применение.
Алексей Сигаев
phantom@tversu.ru Юрий Горбачев
gorby@techno.ru
Несмотря на то что технологии пайки постоянно совершенствуются, требования к качеству монтажа растут еще быстрее. Такая ситуация подстегивает производителей паяльного оборудования к постоянному поиску новых технических решений, которые могли бы повысить качество пайки, увеличить ее скорость и снизить стоимость. Как же развивались технологии пайки и что появилось в этой области нового за последнее время?
Пожалуй, одной из наиболее часто применяемых до недавнего времени технологий является ручная контактная пайка. Различные фирмы выпускают тысячи моделей паяльников и паяльных станций, но в основе всех их лежит один и тот же принцип — нагрев припоя в зоне пайки непосредственным контактом с нагревателем. К числу несомненных плюсов данной технологии смело можно отнести ее универсальность. Пожалуй, единственными неподвластными ей на сегодняшний день компонентами являются микросхемы в корпусах типа Ball Grid Array (BGA) и ему подобных, поскольку контакты в них спрятаны под корпусом. Во всех же остальных случаях хорошая паяльная станция с богатым набором сменных жал и насадок позволяет производить практически любые работы, связанные с пайкой и выпаиванием компонентов. Однако у данной технологии есть один огромный недостаток, который сводит на нет все ее преимущества, — высокая трудоемкость и, как следствие, крайне низкая скорость и высокая стоимость монтажа. Поскольку пайка производится вручную, то условно можно считать, что затраты труда на монтаж платы линейно зависят от числа контактов на устанавливаемых компонентах. Кроме того, использование современных микросхем и пассивных компонентов в миниатюрных корпусах для поверхностного монтажа значительно повышает трудоемкость пайки, поскольку требуется точно позиционировать компонент на плате. В настоящее время ручная контактная пайка исполь-
зуется преимущественно для проведения ремонтных работ, а в современном серийном производстве применяются более совершенные и производительные методы. Слово «современном» здесь не случайно. В наших российских реалиях, в силу очень низкой стоимости ручного труда, часто оказывается гораздо дешевле заказать монтаж небольших плат какому-либо из простаивающих заводов электроаппаратуры (или просто набрать индивидуальных монтажников), чем приобретать необходимое оборудование для более современных методов пайки.
Другой еще недавно широко распространенной технологией пайки является групповая пайка волной припоя. Пайка при этом осуществляется путем прохождения платы с установленными на ней компонентами над созданной каким-либо образом волной припоя. Однако в настоящее время, в силу того, что эта технология хорошо подходит только для пайки выводных компонентов, монтируемых в отверстия, и в связи со все возрастающей долей поверхностного монтажа, она применяется все меньше.
Широкое применение поверхностного монтажа потребовало использования новых технологий пайки. Одной из первых таких технологий стала групповая пайка компонентов в конвекционных печах. Оплавление припоя в зоне пайки при этом осуществляется за счет нагрева его потоком горячего воздуха. В силу того, что подобная система обладает достаточно большой тепловой инертностью, конвекционные печи, как правило, представляют собой конвейер, движущийся с небольшой скоростью, по которому платы проходят через одну или несколько зон нагрева. Данная технология (как впрочем, и все более новые), помимо принципа, используемого для оплавления припоя, отличается от контактной пайки еще и тем, что требует предварительного нанесения на контактные площадки так называемой паяльной пасты (смеси мелкодисперсного припоя с флюсом). Подобная процедура требует изготовле-
ния достаточно дорогостоящих трафаретов. Кроме того, пайка в конвекционных печах требует также приклеивания компонентов к поверхности платы, чтобы при обдуве ее горячим воздухом не произошло их смещения. Одним из наиболее значительных минусов этой технологии можно считать то, что при ее использовании происходит разогрев до высокой температуры всей платы, независимо от того, что и где паяется. Также, в конвекционных печах, в силу их значительной тепловой инертности, практически невозможно точно выдерживать температурный профиль, что требуется для пайки компонентов в корпусах типа BGA (от точности выдержки профиля разогрева платы напрямую зависит качество пайки). Для создания необходимых температурных условий конвекционные печи часто имеют несколько зон нагрева, через которые плата проходит последовательно.
Следующим шагом в развитии технологий пайки стало создание инфракрасных печей. По сравнению с конвекционными они обладают значительно меньшими габаритами (ввиду отсутствия конвейера) и лучшими возможностями по поддержанию требуемой для пайки температуры. Помимо этого, при использовании инфракрасных печей стало возможным не приклеивать компоненты к плате. Однако один из недостатков, присущих конвекционным печам — разогрев всей платы, — остался и при использовании инфракрасного нагревателя. Он обусловливает тот факт, что все устанавливаемые на плату компоненты должны быть в состоянии выдерживать без вреда для себя в течение нескольких десятков секунд температуру более 300 °C (впрочем, большая часть пластмасс, применяемых при изготовлении корпусов деталей, удовлетворяет этому условию).
И наконец, наиболее совершенной на сегодняшний день технологией пайки является фокусируемая инфракрасная пайка. От групповой пайки она отличается тем, что нагрев производится сфокусированным пучком инфракрасного излучения, что позволяет нагревать плату только в местах пайки. Как правило, установки для фокусируемой инфракрасной пайки состоят из двух нагревателей, один из которых подогревает плату снизу до сравнительно невысокой температуры, и верхнего, осуществляющего в нужный момент быстрый локальный нагрев требуемой области платы до температуры плавления припоя. Фокусируемая пайка более всего подходит для проведения ремонтных работ с использованием микросхем в корпусах BGA, а также для монтажа и демонтажа компонентов в труднодоступных для обычного контактного инструмента местах.
Одним из наиболее известных производителей оборудования для фокусируемой инфракрасной пайки является фирма PDR (подразделение Eurotec Industries, занимающееся паяльным оборудованием), которая фактически является пионером в области изготовления паяльных станций для пайки с использованием сфокусированного инфракрасного излучения. Познакомимся поближе с двумя типами устройств, выпускаемых фирмой PDR.
Примером оборудования среднего класса могут служить полуавтоматические паяльные станции серии PDR 1500 (рис. 1, 2). Станции этой серии различаются между собой наличием некоторого дополнительного оборудования и приспособлений (вакуумного пинцета, координатного стола, системы прецизионного подъема компонентов), а также использованием в станции PDR 1500 XY+PC персонального компьютера для управления процессом пайки. Все станции серии PDR 1500 состоят из нижнего нагревателя мощностью 500 Вт и верхнего фокусируемого нагревателя мощностью 150 Вт, установленного на штативе. При этом в верхнем нагревателе могут использоваться различные сменные линзы, обеспечивающие фокусировку инфракрасного излучения на пятне диаметром от 4 до 70 мм. Область на-грева нижнего нагревателя имеет размер 120x120 мм. Использование персонального компьютера для управления проце ссом пайки и контроля температуры в реальном времени позволяет очень точно выдерживать требуемый температурный профиль. Станции серии PDR 1500 идеально подходят для монтажа и демонтажа компонентов в корпусах BGA, Micro BGA, QFP, PLCC, SOIC, небольших пассивных SMD-компонентов, а также SMT-панелек и разъемов.
В качестве другого примера хотелось бы привести более «бюджетную» станцию — PDR SolderLight. Эта станция состоит из нижнего 500-ваттного нагревателя и ручного верхнего нагревателя мощностью 150 Вт. В целом по функциональности от станций серии PDR 1500 она отличается только тем, что верхний нагреватель не имеет жесткого крепления (а также имеет немного другую конструкцию, не позволяющую использовать сменные линзы) и в стандартном комплекте отсутствует цифровой блок для контроля температурных профилей. Эта станция, в отличие от PDR 1500, более ориентирована на выполнение различных ремонтных работ (в частности, демонтажа компонентов).
К сожалению, объем одной статьи не позволяет охватить весь модельный ряд паяльных станций фирмы PDR (а ведь он содержит в себе еще и полностью автоматизированные комплексы), однако при желании каждый сможет найти в продукции фирмы PDR именно ту паяльную станцию, которая наиболее отвечает конкретным требованиям. Информация о продукции фирмы доступна на сайте www. smtrework .com.
I
Рис. 1. Станция PDR1500 Std
Рис. 2. Станция PDR1500 Pro
