|
Не гадайте на паяльной пасте,
просто измерьте термопрофиль
Современная технология пайки электронных компонентов требует точного соблюдения температурных режимов. Быстрое получение реальной информации о температуре на печатной плате и на компонентах способствует упрощению процесса оптимизации режимов технологического процесса, сокращению времени отладки и повышению качества выпускаемой продукции.
Трехканальный термометр для измерения температурных профилей «Термоскоп» ТА-570, интерес к которому был проявлен российскими электронщиками после публикации в «КиТ» No 6'2000, явился родоначальником представляемой сегодня микропроцессорной серии оборудования для поверхностного монтажа. Все оборудование построено на базе цифровой технологии измерения, регулирования и стабилизации температуры, названной системой «ТЕРМОПРО», в основе которой лежит способ измерения температуры с помощью платиновых терморезисторов.
Оборудование на основе системы «ТЕРМОПРО» может работать как автономно, так и под управлением специальной компьютерной программы «ТЕРМОПРО–ЦЕНТР». При работе в автономном режиме можно производить подогрев печатных плат, а также пайку SMD-компонентов нагретым воздухом с контролем тепловых режимов в числовом виде. При работе оборудования под управлением программы «ТЕРМОПРО–ЦЕНТР» имеется доступ к таким полезным функциям, как пайка по заданному термопрофилю и контроль тепловых режимов в графической форме. Это способствует оптимизации режимов технологического процесса и повышению качества выпускаемой продукции при единичном и мелкосерийном производстве.
В серию оборудования на основе системы «ТЕРМОПРО» на сегодняшний день входят следующие приборы и исполняющие устройства: трехканальный цифровой термометр «Термоскоп» ТА-570м, терморегуляторы ТП 1-5, ТП 1-5кд, ТП 1-10, ТП 1-10кд, ТП 2-10, приборы нижнего подогрева НП 12-10, НП 17-12 и микрофен МФ-100.
Кроме того, разработано вспомогательное оборудование — пневмопроцессор ПП-24 и ручной вакуумный манипулятор ВМ-01.
«Термоскоп» ТA-570м
Цифровой трехканальный термометр с интерфейсом RS-232C для измерения температурных профилей. «Термоскоп» ТА-570м (рис. 1) является модифицированной версией цифрового термометра ТА-570.
Прибор предназначен для измерения температуры с помощью малогабаритных платиновых термодатчиков одновременно по трем каналам. Предусмотрена возможность индикации измеренных значений на встроенном дисплее и построения термографиков в реальном масштабе времени на экране компьютера с передачей данных по каналу связи RS-232C.
Прибор комплектуется новой программой «ТЕРМОПРО–ЦЕНТР», позволяющей обслуживать одновременно два прибора. Таким образом, можно получать шесть графических зависимостей изменения температуры от времени с шести датчиков, закрепленных на объекте измерения (рис. 2). Полученные термографики сохраняются на жестком диске компьютера для их дальнейшего исследования, сравнения и распечатки. В поставку включена специальная программа для проверки точности показаний прибора.
Диапазон измеряемых температур составляет от –70 до +500 °C при разрешающей способности 1 °C и основной погрешности ±2 °C. Прибор комплектуется всеми необходимыми принадлежностями для работы: специальным штативом для закрепления термодатчиков на печатной плате и измерительным адаптером для контроля рабочей температуры жала паяльника. Подключение сигнальных проводов термодатчиков к прибору осуществляется быстрыми самозажимными разъемами, что позволяет с одинаковым удобством измерять температуру на печатных платах, помещаемых как в конвейерные печи, так и в печи камерного типа.
Приборы нижнего перегрева НП 12-10, НП 17-12
Приборы НП 12-10 и НП 17-12 отличаются друг от друга габаритами рабочей поверхности и конструкцией нагревательных элементов (рис. 3, 4).
Габаритные размеры рабочей поверхности прибора НП 12-10 составляют 120х100 мм, а прибора НП 17-12 — 170х120 мм. Эти приборы применяются в случае:
- предварительного подогрева плат при пайке SMD-компонентов различными способами;
- предварительного подогрева плат перед извлечением компонентов;
- подогрева керамических элементов перед их захватом термопинцетом, что предотвращает образование микротрещин;
- отвердения клея, фиксирующего компоненты на плате;
- выпаривания летучих соединений из паяльной пасты перед пайкой горячим воздухом с помощью микрофена;
- восстановления шариковых выводов BGA различными способами.
Важной функцией приборов нижнего подогрева является возможность осуществления пайки малогабаритных плат по заданному пользователем термопрофилю, что можно использовать при единичном и мелкосерийном производстве.
Высокая равномерность распределения температурного поля по рабочей поверхности обеспечивается за счет толстой рассеивающей пластины из алюминиевого сплава. Встроенное защитное заземление предохраняет печатные платы от статического электричества.
Для закрепления и перемещения печатных плат над рабочей поверхностью и фиксации на плате контрольных датчиков температуры разработан специальный рамочный держатель РД-390 (рис. 3).
При потребляемой мощности в 500 Вт прибор нижнего подогрева достигает максимальной температуры рабочей поверхности +300 °C примерно за четыре минуты. Стабильность температуры рабочей поверхности обеспечивается с помощью встроенного в прибор датчика обратной связи (платинового терморезистора) и одного из терморегуляторов системы «ТЕРМОПРО»: ТП 1-10, ТП 1-10кд или ТП 2-10.
Терморегуляторы ТП 1-10, ТП 1-10кд (рис. 4) предназначены для управления температурой рабочей поверхности приборов нижнего подогрева. Оба терморегулятора могут работать в автономном режиме, а ТП 1-10кд может работать под управлением компьютера. Терморегуляторы ТП 1-10 и ТП 1-10кд обеспечивают:
- включение и выключение нагревателя специальной кнопкой;
- быструю установку температуры стабилизации с помощью двух кнопок с дискретностью 1 °C;
- сохранение значения температуры стабилизации при выключении терморегулятора;
- одновременную индикацию установленной оператором температуры стабилизации и текущей температуры на нагревателе;
- автоматическое отключение нагревателя при коротком замыкании или обрыве цепи датчика обратной связи с индикацией причины неисправности.
В дополнение к этим возможностям терморегулятор ТП 1-10кд оснащен измерительным каналом с контрольным термодатчиком, температура которого выводится на дисплей. Этот терморегулятор может работать под управлением компьютерной программы «ТЕРМОПРО–ЦЕНТР», для чего в составе изделия имеется канал связи RS-232С с гальванической развязкой от цепей управляющего компьютера. (ТП 1-10 имеет возможность модернизации до уровня ТП 1-10кд). Программа позволяет изменять пределы регулирования температуры, вплоть до установки запрета на изменение температуры стабилизации с помощью кнопок на передней панели.
С помощью контрольного датчика можно измерять температуру объекта нагрева, а также получать термографик в реальном масштабе времени на экране компьютера аналогично тому, как это делается цифровым термометром «Термоскоп» ТА-570м.
Важной функцией терморегулятора ТП 1-10кд является исполнение заданного пользователем термопрофиля на рабочей поверхности прибора нижнего подогрева и одновременный контроль полученных результатов в графической форме.
Пайка по термопрофилю с помощью прибора нижнего подогрева
Пайка поверхностно монтируемых элементов возможна только с верхней стороны платы, а нижняя сторона располагается на рабочей поверхности прибора нижнего подогрева или на некотором расстоянии от нее. Программа «ТЕРМОПРО–ЦЕНТР» позволяет создавать, редактировать и отрабатывать термопрофили, имеющие до тридцати двух зон. Отлаженные термопрофили сохраняются на жестком диске компьютера без ограничения их количества.
На рис. 5 приведен термографик, полученный при пайке печатной платы на поверхности прибора НП 12-10. Желтая кривая (a) — термопрофиль, заданный пользователем и отработанный устройством нижнего подогрева. Красная, зеленая и синяя кривые (b, c, d) — температуры трех контрольных датчиков, расположенных в различных точках печатной платы. При завершении оплавления припоя (точка А) для охлаждения включается вентилятор, расположенный над платой. После снижения температуры ниже 150 °С плату можно снять с поверхности нагревателя для дальнейшего охлаждения.
Поскольку программа может обслуживать одновременно два прибора системы «ТЕРМОПРО», подключенных к одному компьютеру, то в данном примере термопрофиль отрабатывался терморегулятором ТП 1-10кд (кривая a), а кривые b, c и d получены с помощью термометра «Термоскоп» ТА-570м. Если использовать только терморегулятор ТП 1-10кд, то с помощью одного контрольного датчика можно получить соответственно только одну контрольную кривую: в большинстве случаев этого вполне достаточно.
На термографике отчетливо видны характерные участки термопрофиля:
- участок предварительного подогрева, предназначенный для испарения жидких фракций из паяльной пасты или флюса. Температура на этом участке должна составлять 100–125 °С;
- выравнивающий участок, который служит для равномерного распределения температурного поля по объему компонентов и печатной платы. Этот участок попадает в температурный интервал активности флюса (до 170–180 °С), при котором происходит растворение окисных пленок;
- участок пайки, на котором припой растекается и попадает в зазоры за счет капиллярного эффекта. Максимальная температура должна составлять 200–250 °С в зависимости от типа применяемой паяльной пасты.
Таким образом, в лабораторных условиях с минимальными затратами возможна реализация таких же термопрофилей, как и при серийном производстве в промышленных печах.
Микрофен МФ-100
Нагревательный прибор микрофен МФ-100 (рис. 6, 7) предназначен для локального плавления малых доз припоев, паяльных паст и других легкоплавких материалов. Плавление осуществляется потоком разогретого воздуха или инертного газа, вытекающего из наконечника микрофена.
Микрофен позволяет осуществлять пайку практически всех SMD-компонентов, за исключением микросхем в корпусах BGA. По сравнению с контактной пайкой обычной паяльной станцией более медленный подвод тепла с помощью воздуха благотворно влияет на процесс пайки керамических элементов.
Эффект самопозиционирования чип-компонентов, возникающий в результате действия сил поверхностного натяжения при расплавлении паяльной пасты, позволяет получить качественную пайку без их сверхточной установки на плату ручным способом.
Стабильность температуры воздушного потока обеспечивается с помощью датчика обратной связи (платинового терморезистора), установленного в выходном канале микрофена и одного из терморегуляторов системы «ТЕРМОПРО»: ТП 1-5, ТП 1-5кд или ТП 2-10.
Терморегуляторы ТП 1-5, ТП 1-5кд (рис. 6) выполняют те же функции, что и описанные выше модели ТП 1-10 или ТП 1-10кд. Кроме того, терморегуляторы ТП 1-5 и ТП 1-5кд оснащены системой блокировки микрофена, которая автоматически выключит нагреватель в случае отключения воздушной консоли компрессора или пневмопроцессора.
Терморегулятор ТП 1-5кд оснащен контрольным датчиком, с помощью которого можно измерять температуру объекта нагрева, а также получать термографики в реальном масштабе времени при подключении к
компьютеру.
Микрофен питается от мощного понижающего трансформатора (~36 В), встроенного в терморегулятор, и имеет защиту от статического электричества. Совмещенный термостойкий шнур, внутри которого располагается отдельный канал для подвода воздуха, а также электрические проводники, обеспечивает удобство эксплуатации. Все металлические детали, подвергаемые нагреву, а также три сменных наконечника для различных видов работ изготовлены из жаростойкой нержавеющей стали.
Мощности микрофена 100 Вт вполне достаточно, чтобы обеспечить рабочий диапазон температур (в зоне расположения датчика обратной связи) в пределах от +50 до +500 °C в широком интервале изменения расхода воздуха. При этом шаг изменения температуры стабилизации составляет 1 °C, а стабильность температуры при 500 °C не хуже ±4 °C.
Пневмопроцессор ПП-24 и вакуумный манипулятор ВМ-01
Пневмопроцессор ПП-24 (рис. 6) служит для питания воздухом микрофена МФ-100 и управления вакуумным манипулятором ВМ-01, предназначенным для переноса и установки на печатную плату любых SMD-компонентов. Прибор оснащен сменным воздушным фильтром и имеет две работающие поочередно пневматические консоли со штуцерами для подключения внешних инструментов:
- на консоли «Вакуум» создается разряжение: к ней подключают вакуумный манипулятор ВМ-01;
- на консоль «Воздух» подается воздух под давлением: к ней подключают микрофен МФ-100.
Пневмопроцессор ПП-24 также оснащен шиной подтверждения включения воздуха. Сигнал с этой шины через соединительный шнур подается на терморегулятор ТП 1-5 или ТП 1-5кд, к которому подключен микрофен МФ-100. Система блокировки терморегулятора автоматически отключит микрофен при отсутствии воздуха в компрессоре.
Включение и отключение вакуума в приборе осуществляется мышкой или ножной педалью (поставляемой дополнительно). Пневмопроцессор может также управляться импульсами напряжения +5 В от постороннего (внешнего) оборудования.
Для выполнения различных работ по переносу элементов прибор реализует четыре режима включения вакуума. Один из режимов автоматически задает повтор импульсов разряжения через заданные промежутки времени. Длительность и периодичность следования импульсов регулируются.
Вакуумный манипулятор ВМ-01 (рис. 8) имеет термостойкий шланг из мягкого токопроводящего силикона, закрепленный на вращающемся вакуумном затворе, который предотвращает перекручивание шланга и снижает напряжение руки оператора. Статическое электричество стекает через шланг на металлический штуцер заземленного пневмопроцессора.
Правильная балансировка инструмента позволяет легко манипулировать самыми маленькими элементами, не вызывая при этом чувства утомления, а внутренний сменный фильтр предохраняет компрессор и прецизионные подшипники механизма вращения от загрязнения.
Для переноса элементов применяются сменные иглы из нержавеющей стали различной формы: d 0,7 мм — для захвата мелких чип-элементов, d 1,2 мм — для захвата крупных чип-элементов и мелких микросхем, а также игла с присоской для захвата крупных микросхем. Присоска изготовлена из силикона, что позволяет переносить и горячие элементы (до 270 °C).
Особенности пайки микрофеном
Прежде чем приступать к пайке воздухом, следует произвести предварительный подогрев печатной платы приборами нижнего подогрева НП 12-10 и НП 17-12: особенно это касается многослойных плат. Использование подогрева платы снизу при пайке микрофеном уменьшает температурные перепады на поверхности платы и компонентах. В результате снижается риск образования микротрещин в керамических компонентах, а также предотвращается искривление печатных плат. Кроме того, уменьшается время пайки компонентов.
Закрепляется плата над рабочей поверхностью с помощью рамочного держателя РД-390, который позволяет устанавливать расстояние между крепежными направляющими по ширине конкретной платы, регулировать зазор между платой и рабочей поверхностью устройства подогрева, а также фиксировать на плате контрольные датчики. Держатель удобен и тем, что можно плавно подводить платы вместе с датчиками в зону подогрева и отводить их для охлаждения.
На равномерность прогрева платы оказывают влияние кривизна самой платы, воздушный зазор между платой и устройством подогрева, воздушные потоки в помещении и параллельность установки платы над рабочей поверхностью. Толщина платы, количество элементов и их размеры также сказываются на конечной температуре и равномерности прогрева.
Для предварительной отладки на плату устанавливают один или несколько контрольных датчиков в различные места и, меняя зазор и температуру рабочей поверхности прибора подогрева, добиваются того, чтобы плата прогревалась до температуры 100–125 °С за 3–5 минут (рис. 9). При указанной температуре из паяльной пасты испаряются летучие соединения, что в дальнейшем предотвращает закипание и разбрызгивание припоя.
Если используется только один датчик, то после отладки производят несколько контрольных замеров путем перемещения датчика в различные точки платы.
Реальная температура воздушного потока микрофена на некотором расстоянии от наконечника всегда ниже той, которая отображается на дисплее терморегулятора. Это объясняется отводом тепла через стенки наконечника и подмешиванием холодного воздуха на его выходе. При желании температуру, создаваемую потоком воздуха в зоне пайки, можно измерить при помощи контрольного датчика.
Зная свойства паяльной пасты, допустимые температуру и время нагрева элемента, легко подобрать нужный режим пайки. Показания можно снять с дисплея «Термоскопа» или терморегулятора, а при наличии компьютера можно в реальном времени наблюдать за температурной кривой на его экране и определять необходимую скорость разогрева.
При пайке чип-элементов рекомендуется приближать наконечник микрофена к элементу постепенно, чтобы не подвергать его термоудару. Прогрев элемента следует осуществлять равномерно по всей площади, совершая круговые движения или плавные движения наконечником вдоль элемента: тогда момент расплавления пасты наступит одновременно на обеих контактных площадках, при этом элемент «всплывет» и спозиционируется автоматически.
При пайке микросхем наряду с предварительным нанесением паяльной пасты на контактные площадки применяют способ, при котором микросхема устанавливается на голые площадки, а затем с помощью дозатора наносится «полоска» паяльной пасты сразу поперек всех выводов (желательно это делать при наличии паяльной маски на плате).
С помощью щелевого наконечника обдуваются в основном выводы, а не корпус микросхемы, поэтому температуру воздуха можно несколько увеличить для сокращения времени пайки. При такой пайке, для улучшения теплоотвода от корпуса микросхемы, на нее можно положить гладкую медную пластину такого же размера.
Терморегулятор ТП 2-10
Этот терморегулятор имеет такие же размеры и характеристики, как вышеописанные, и отличается от них наличием двух независимых каналов регулировки температуры. На первый канал подключается прибор нижнего подогрева, а на второй — микрофен. Все регулировки осуществляются раздельно по каждому каналу. Терморегулятор ТП 2-10 может работать как автономно, так и под управлением компьютерной программы «ТЕРМОПРО–ЦЕНТР» и отрабатывать термопрофиль на рабочей поверхности прибора нижнего подогрева. Поскольку в терморегуляторе отсутствует измерительный канал, то для контроля температуры хорошим дополнением будет цифровой термометр «Термоскоп» ТА-570м.
Комплекты оснащения рабочих мест
Комплект No 1 предназначен для ручной пайки микрофеном с предварительным подогревом печатной платы. Его рекомендуется использовать при ручном мелкосерийном производстве, когда не требуется частая перенастройка тепловых режимов.
Для контроля температуры печатной платы при настройке техпроцессов можно использовать трехканальный цифровой термометр «Термоскоп» ТА-570м из расчета один прибор на несколько рабочих мест. Хотя этот комплект не позволяет осуществлять пайку по термопрофилю, но при таком варианте затраты на оборудование минимальны.
Комплект оснащается следующим оборудованием:
- прибор нижнего подогрева НП 12-10 или НП 17-12;
- микрофен МФ-100;
- терморегуляторы ТП 1-10 и ТП 1-5;
- пневмопроцессор ПП-24 с вакуумным манипулятором ВМ-01;
- рамочный держатель печатных плат РД-390.
Комплект No 2 предназначен для пайки малогабаритных плат по заданному термопрофилю, а также для ручной пайки микрофеном с предварительным подогревом печатной платы. Его рекомендуется использовать:
- при единичном производстве;
- при исследованиях или отладке техпроцессов пайки с использованием термопрофилей;
- при ручном мелкосерийном производстве, требующем пайки по термопрофилю малогабаритных плат или при частой перенастройке тепловых режимов.
Комплект оснащается следующим оборудованием:
- прибор нижнего подогрева НП 12-10 или НП 17-12;
- микрофен МФ-100;
- терморегуляторы ТП 1-10кд и ТП 1-5кд;
- пневмопроцессор ПП-24 с вакуумным манипулятором ВМ-01;
- рамочный держатель печатных плат РД-390;
- компьютер PC не хуже 386DX40 (в поставку не входит).
При использовании указанных терморегуляторов одновременно можно получать две температурные кривые для двух измерительных каналов. При замене терморегулятора ТП 1-5кд на более дешевый ТП 1-5 можно получать только одну температурную кривую.
Комплект No 3 предназначен для пайки малогабаритных плат по заданному термопрофилю, а также для ручной пайки микрофеном с предварительным подогревом печатной платы. Его рекомендуется использовать при ручном мелкосерийном производстве, требующем пайки по термопрофилю по заранее отлаженным тепловым режимам.
Подразумевается использование для отладки одного прибора «Термоскоп» ТА-570м на несколько рабочих мест, оснащенных по данному варианту, что позволяет несколько сократить затраты на оборудование. Однако, если «Термоскоп» ТА-570м не подключен к компьютеру, то одновременный контроль полученных результатов в графической форме ограничивается только отображением кривой, отработанной прибором нижнего подогрева.
Комплект оснащается следующим оборудованием:
- прибор нижнего подогрева НП 12-10 или НП 17-12;
- микрофен МФ-100;
- двухканальный терморегулятор ТП 2-10;
- пневмопроцессор ПП-24 с вакуумным манипулятором ВМ-01;
- рамочный держатель печатных плат РД-390;
- компьютер PC не хуже 386DX40 (в поставку не входит).
Евгений Шулика
|
