Способ пайки световым лучом

 

Изобретение относится к области пайки и может найти применение при изготовлении печатных плат радиоэлектронной аппаратуры, как для соединения радиоэлементов, так и для нанесения полуды. Сущность изобретения: способ пайки световым лучом включает нанесение порций припоя и флюса на плату. Нагрев точки пайки непрерывным световым лучом, перемещаемым с остановками на каждой точке пайки на время, определяемое по эмпирической формуле t = R²/4a, где R - средний радиус порции припоя, a -коэффициент температуропроводности материала припоя, но не менее 3 мкс и не более 200 мс. При пайке используют прозрачный для светового излучения жидкий флюс, которым покрывают всю поверхность платы или ту ее часть, которая подвергается пайке. В качестве жидкого прозрачного флюса используют олеиновую кислоту, а порции припоя придают форму кольца, которое может быть составлено из нескольких элементов, имеющих форму шара или кольца. 4 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области пайки и может найти преимущественное применение при изготовлении печатных плат радиоэлектронной аппаратуры как для соединения радиоэлементов, так и для нанесения полуды.

Известен способ пайки с использованием светового излучения, источником которого является лампа (патент США N 4034180, кл. 219-85, 1977 [1]). Способ предусматривает установку радиоэлементов на плате, их фиксацию, нанесение флюса и припоя в зону соединения и нагрев световым лучом до температуры пайки.

Недостатком способа является то, что световое пятно перекрывает требуемую зону нагрева, что ведет к нежелательному перегреву печатной платы, а кроме того, нагрев соединений сопровождается включением и выключением лампы, что снижает производительность процесса.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому является известный способ пайки лазерным лучом (заявка Японии N 3-8868, кл. В 23 К 1/005, Н 05 К 3/34, опубл. 91.02.07 N 2-22 [3]). Способ заключается в том, что на плате, на которой заранее нанесен флюс и припой, размещают электронные детали. Затем на поверхности нескольких выводов этих деталей последовательно в соответствии с заданной программой о месте и времени пайки направляют лазерный луч. При этом луч лазера является непрерывным, и для осуществления процесса луч останавливают у первого и последнего вывода группы, а от первого к последнему он движется с постоянной скоростью.

Таким образом, в отличие от способа, известного из [2] этот способ исключает нагрев платы в участках, где отсутствуют электронные элементы.

Недостатком известного способа является то, что внутри группы выводов луч движется с постоянной скоростью, что приводит к перегреву участков платы между выводами, что отрицательно сказывается на паяемом приборе, снижает КПД использования лазера и производительность способа.

Цель изобретения повышение производительности способа пайки световым лучом и повышение КПД использования источника света, повышение качества паяного соединения.

Цель достигается тем, что способ пайки световым лучом включает нанесение порций припоя и флюса на плату и нагрев точки пайки непрерывным световым лучом, перемещаемым с остановками на каждой точке пайки на время, определяемое по эмпирической формуле t R²/4a, где R-средний радиус порции припоя, a-коэффициент температуропроводности материала припоя, но не менее 3 мкс и не более 200 мс и использование прозрачного для светового излучения жидкого флюса, которым покрывают всю поверхность платы или ту ее часть, которая подвергается пайке.

Указанный результат достигается также тем, что в качестве жидкого прозрачного флюса используют олеиновую кислоту.

Указанный результат достигается также тем, что порции припоя придают форму кольца.

Указанный результат достигается также тем, что порции припоя придают форму кольца, составляя упомянутое кольцо из нескольких элементов, имеющих форму шара или кольца.

Указанный результат достигается тем, что каждую точку пайки освещают световым лучом, диаметр которого не превышает диаметра порции припоя.

Отличительными признаками предлагаемого способа являются: остановка светового луча на каждой точке пайки; определение времени задержки светового луча на каждой точке пайки по эмпирической формуле t=R²/4a; задержка светового луча на каждой точке пайки не менее 3 мкс, но не более 200 мс; использование жидкого флюса, прозрачного для светового излучения; нанесение прозрачного флюса на поверхность платы; использование в качестве прозрачного флюса олеиновой кислоты; придание порции припоя формы кольца; формирование кольца припоя из нескольких элементов в форме шара или кольца; освещение точки пайки световым лучом, диаметр которого не превышает диаметра порции припоя.

Остановка светового луча на каждой точке пайки позволяет повысить производительность способа и КПД использования источника света, поскольку нагреву подвергается только припой, т.е. место пайки, что исключает расход энергии на нагрев подложки. Кроме того, отсутствие непроизводительного нагрева подложки позволяет повысить сохранность паяемых радиоэлементов, нагрев ножек которых осуществляется через расплавляемый припой.

Как показали опыты по пайке световым лучом, процесс можно условно разделить на три стадии: нагрев порции припоя от комнатной температуры до температуры пайки (как правило, это температура плавления припоя либо немного выше), выдержка при этой температуре и остывание до комнатной температуры. Длительность первой стадии нагрева -зависит от многих факторов и в первую очередь от мощности источника излучения. В первом приближении мощность требуемого источника определяется исходя из уравнения теплового баланса:

где I интенсивность светового излучения; t время воздействия светового излучения на порцию припоя; S площадь порции припоя, на которую действует световое излучение; поглощательная способность припоя, зависящая от его химического состава и длины волны излучения.

Q Q₁ + Q₂ + Q₃
Q₁= m·C_p·ΔT количество тепла, необходимое для нагрева порции припоя массой m и удельной теплоемкостью Cp от комнатной температуры до температуры плавления. Q₂=q·m количество тепла, необходимое для расплавления порции припоя массы m со скрытой теплотой плавления q. Q₃ количество тепла, идущее на прогрев лепестка платы или ножки прибора, флюса, потери на теплообмен с окружающей средой и т.п.

Более точно мощность источника излучения подбирается экспериментально. Основное требование к источнику излучения заключается в том, чтобы он обеспечивал осуществление первых двух стадий процесса пайки нагрева до температуры пайки и выдержки при ней за время, определяемое по эмпирической формуле t= R²/4a, где t-время взаимодействия светового луча с порцией припоя, a коэффициент температуропроводности материала припоя, R средний радиус порции припоя. При этом время указанного взаимодействия не должно быть менее 3 мкс и не превышать 200 мс.

Как показали опыты, соблюдение указанных в формуле условий обеспечивает наиболее высокую производительность способа пайки и высокое качество паяных соединений. Если сократить время пайки до значений менее 3 мкс, то процесс нагрева припоя происходит столь интенсивно, что он вскипает и частично испаряется и/или разбрызгивается. При осуществлении задержки светового луча на месте пайки более 200 мс существенно снижается производительность способа и КПД использования источника света, т.к. возрастают потери тепла в окружающую среду и происходит перегрев платы.

Использование прозрачного жидкого флюса позволяет повысить КПД использования источника излучения, т.к. прозрачный флюс не поглощает тепло от источника излучения и все оно идет на нагрев припоя.

Проведенные опыты с различными флюсами, например, щавелевой и олеиновой кислотами, показали, что использование в качестве флюса олеиновой кислоты позволяет сократить время пайки и повысить КПД использования источника света, поскольку олеиновая кислота обеспечивает минимум свободной энергии на поверхности припоя и, как следствие, обеспечивает его хорошее затекание во все поры при меньшей его температуре нагрева, чем при использовании в качестве флюса других веществ.

Нанесение прозрачного флюса на всю плату или на ту ее часть, на которой осуществляется пайка, как показали опыты, позволяет минимизировать непроизводительные тепловые потери, предотвратить перегрев платы, а кроме того, повысить качество паяного соединения, поскольку, как отмечалось выше, прозрачный флюс не поглощает световое излучение и нагрев его осуществляется только за счет теплопередачи от припоя.

Нанесение флюса только на часть платы целесообразно в том случае, когда плата имеет большие размеры, а пайке подвергаются несколько элементов, занимающих только ее некоторую часть. Нанесение в этом случае флюса на всю поверхность не имеет смысла, поскольку увеличиваются потери флюса, который по завершении процесса смывается с платы.

При проведении опытов по пайке с порциями припоя различной формы (сфера, полусфера, параллелепипед и др.) было установлено, что наименьшее количество энергии от источника излучения требуется для расплавления порции припоя (одной и той же массы), если ей придана форма кольца, охватывающего ножку паяемого радиоэлемента.

При этом было установлено, что количество затрачиваемой энергии снижается, если это кольцо сформировать из нескольких шариков или колец (шести-восьми), которые укладываются вокруг паяемой ножки.

Использование светового луча, диаметр которого не превышает диаметра порции припоя, также повышает производительность способа и КПД использования источника излучения, т.к. обеспечивает нагрев только припоя, исключая нагрев платы.

Пример 1. На печатной плате в соответствии с технологической картой размещаются электрорадиоэлементы, а в точки пайки с помощью дозатора укладываются порции припоя. В случае использования порций припоя, сформированных в виде кольца, последние надеваются на ножку радиоэлемента, а в случае формирования кольца из шариков они укладываются вокруг ножки. В этом случае в плате вокруг ножки может быть выполнено соответствующее углубление, чтобы предотвратить раскатывание шариков по плате. Затем плата помещается в кювету с прозрачным жидким флюсом, например, с олеиновой кислотой так, чтобы кислотой была покрыта вся поверхность платы и порции припоя.

Затем кювета помещается на рабочий стол технологической установки для пайки, например, серийно выпускаемой "Квант-50", включают источник излучения с заранее подобранной мощностью, в качестве которого используется лазер, и систему управления положением светового луча, работающую по соответствующей программе, вводимой в управляющий компьютер. Световой луч поочередно падает на точки пайки, задерживаясь на каждой расчетное время. По завершении обхода всех точек, предусмотренных программой, кювета снимается со стола, плата вынимается и промывается органическим растворителем.

Для осуществления пайки можно перемещать плату относительно светового луча с помощью координатного стола, либо световой луч с помощью сканирующего устройства относительно неподвижной платы. Сравнительные испытания показали, что второй способ более приемлем, т.к. обеспечивает более быстрое (практически безинерционное) перемещение луча от одной точки пайки к другой, что увеличивает производительность. В качестве источников света использовались лазеры с длиной волны излучения от 532 до 3000 нм. В результате сравнительных испытаний было установлено, что наиболее оптимальными являлись лазеры, работающие на длине волны 1000±200 нм.

Пример 2. Пайка радиоэлементов на штырьковые выводы оловянно-свинцовым припоем.

Сначала по уравнению теплового баланса определяли необходимую мощность лазера

При расчете принимали:
Q₃ ≈ 0,1(Q₁+Q₂)
Для ПОС эвтектичесокго состава ΔT=170^oC, =0,5, m=2,1·10^-3 г, Cp=0,175 Дж/г. град, q= 41,9 Дж/г. Считая, что диаметр лазерного луча равен диаметру порции припоя, а распределение интенсивности равномерное, получили значение энергии W=0,3316 Дж.

Исходя из того, что коэффициент температуропроводности ПОС равен 0,283 см²/с, а средний радиус порции припоя 0,0377, по эмпирической формуле определили время взаимодействия луча с припоем 1,25·10^-3 с.

Соответствующие данные внесли в программу компьютера, управляющего сканирующим устройством лазерного луча в установке для лазерной пайки. На плате разместили радиоэлементы и шарики припоя по шесть штук вокруг каждой ножки. Затем плату погрузили в олеиновую кислоту так, что толщина слоя ее поверх шариков припоя составила 1 мм. Кювету с погруженной в олеиновую кислоту платой установили на технологическом столе установки и включили программу управления лазером в соответствии со схемой пайки. Луч лазера останавливался на каждой точке пайки на время 1,25·10^-3с и перемещался от точки к точке за время 10^-8с. После завершения программы лазер отключался, плата вынималась из олеиновой кислоты, промывалась спиртом и направлялась на контроль.

Формула изобретения

1. Способ пайки световым лучом, включающий нанесение порций припоя и флюса на плату и нагрев точки пайки непрерывным световым лучом, перемещаемым с остановками, отличающийся тем, что луч останавливают на каждой точке пайки на время, определяемое по формуле
t R² / 4a,
где R средний радиус порции припоя, см;
a коэффициент температуропроводимости материала припоя, см²/с,
но не менее 3 мкс и не более 200 мс и используют прозрачный для светового излучения жидкий флюс, которым покрывают всю поверхность платы или ее часть, подвергаемую пайке.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве флюса используют олеиновую кислоту.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что порции припоя придают форму кольца.

4. Способ по пп.1 и 3, отличающийся тем, что порции припоя придают форму кольца, состоящего из нескольких составляющих его элементов в форме шара или кольца.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что каждую точку пайки освещают световым лучом, диаметр которого не превышает диаметра порции припоя.