Профессиональная паяльная станция для BGA-компонентов

Впервые опубликовано в журнале «Технологии в электронной промышленности», №7/2013

Авторы: Евгений Шулика
ta@termopro.ru

Алексей Курносенко
akurnosenko@elinform.ru

Одними из наиболее сложных компонентов с точки зрения обеспечения качественной пайки по праву считаются компоненты BGA и многовыводные микросхемы с выводами в форме «крыла чайки». Большая площадь корпуса, несколько сотен выводов с малым шагом, серьезные различия в ТКР материалов корпуса BGA-компонентов и печатной платы, невозможность визуального контроля многих соединений BGA-корпуса с платой – все это предъявляет чрезвычайно высокие требования к процессу установки компонента и его пайки.

Слишком сильный или, наоборот, неполный или неравномерный прогрев корпуса компонента и печатной платы, несоблюдение времени пайки и охлаждения готового паяного соединения неизбежно приведут к появлению таких характерных дефектов, как, например, расползание шариковых выводов, холодная пайка, отсутствие смачивания контактных площадок, появление трещин и разрывов в паяном соединении, соединения в виде «песочных часов» и т. д.

Ситуация еще больше усугубляется, если у печатной платы с BGA-компонентом большие габариты, что характерно для целого ряда современных изделий электроники — от ноутбуков до телекоммуникационного оборудования. Подобные платы требуют особенно равномерного нагрева, одновременно исключающего термические деформации и перегрев.

Очевидно, что качество пайки таких компонентов можно обеспечить только в рамках контролируемого процесса предварительного нагрева, пайки и охлаждения при точной отработке заданного термопрофиля.

Как правило, считается, что для реализации данной задачи необходимо дорогостоящее, сложное зарубежное оборудование, а также оператор высокой квалификации. С обоими утверждениями можно поспорить, если обратить внимание на продукцию российской компании НТФ «Техно-Альянс Электроникс», которая уже 15 лет занимается разработкой и производством оборудования для поверхностного монтажа под маркой ТЕРМОПРО. Для решения этой задачи ТЕРМОПРО предлагает профессиональный центр пайки и ремонта сборок на печатных платах с BGA компонентами – ИК‑650 ПРО (рис. 1).

Рис. 1. Инфракрасная паяльная станция ИК‑650 ПРО.

Центр использует проверенную технологию длинноволнового ИК-нагрева. Пайка осуществляется с соблюдением термопрофиля в режиме обратной связи по температуре платы с высокой повторяемостью результата. ИК‑650 ПРО одинаково хорошо пригоден для работы как по традиционной, так и по бессвинцовой технологии. Развитые функциональные возможности позволяют применять инфракрасную паяльную станцию ИК‑650 ПРО для единичного или мелкосерийного многономенклатурного производства, а также для сервисного подразделения. В частности, помимо работы с BGA и другими многовыводными компонентами, ремонтно-паяльный центр успешно справляется с задачей групповой пайки по термопрофилю более простых компонентов поверхностного монтажа без использования печи оплавления. С помощью ИК‑650 ПРО возможна реализация операции по реболлингу BGA.

Выделим ключевые преимущества профессиональной инфракрасной паяльной станции ИК‑650 ПРО из множества решений на рынке паяльного оборудования:

• Модульность – станция ИК‑650 состоит из блоков. Уже в базовом комплекте станция решает большинство задач пайки, а по мере роста потребностей заказчика комплектация станции может быть расширена.
• Гибкость – модернизация станции достигается простой заменой термостола, терморегулятора, диафрагмы, добавлением воздушного охладителя, вакуумного пинцета, видеокамеры и других приспособлений, при этом обеспечивается полная совместимость компонентов аппаратной и программной части.
• Пайка больших плат – станция особенно хорошо подходит для работы с широкоформатными платами, обеспечивая равномерность нагрева и свободный до ступ к любому компоненту, размещенному на плате.
• Универсальность – ориентация на пайку/демонтаж практически любого компонента BGA, в том числе на демонтаж BGA с подзаливкой компаундом как по периметру, так и под корпус. Кроме того, ИК‑650 ПРО успешно работает с контактными панелями для микросхем, в том числе оснащенными массивными и теплоемкими механизмами фиксации для процессоров, при этом не делая никаких исключений для пластиковых панелей и панелей со штыревыми выводами (рис. 2).

Рис. 2. Контактная панель.

• Точная отработка термопрофиля – обратная связь с помощью термодатчика, установленного на печатной плате, обеспечивает автоматическую отработку термопрофиля с коррекцией температуры нагревателей «на лету».
• Собственное программное обеспечение – реализует многофункциональное компьютерное управление центром в автоматическом или ручном режимах. 
• Надежность и функциональность – решения, примененные в конструкции станции, реализуют принцип разумной достаточности. Заказчик получает возможность выполнить практически любую пайку, не переплачивая за массивный дизайн, иностранный бренд и избыточный функционал. Станция эргономична и удобна в эксплуатации как для опытного, так и для начинающего специалиста.
• Простота и легкость обслуживания – все процедуры технического регламента заказчик может выполнить самостоятельно за несколько минут.
• Сертификация – все модули станции сертифицированы в качестве паяльного оборудования согласно ГОСТам РФ.
• Бесплатная гарантия – на все оборудование предоставляется трехлетняя гарантия производителя, а также обеспечивается послегарантийное техническое обслуживание на весь срок службы оборудования.

В результате заказчик получает профессиональный ремонтно-паяльный центр с отличным соотношением цена/качество, который быстро окупит вложенные средства.

Рассмотрим состав паяльной станции ИК‑650 ПРО и особенности исполнения ее основных модулей. Главный элемент станции – верхний нагреватель (рис. 1, поз. 1). Он размещен на подвижном телескопическом штативе с четырьмя степенями свободы и снабжен поворотным лазерным указателем позиции центра BGA-компонента. Такая конструкция позволяет удобно устанавливать большие печатные платы в рабочей зоне, обеспечивая доступ нагревателя к любому посадочному месту компонента на плате.

Отметим, что верхний нагреватель работает в длинноволновом ИК-диапазоне (длина волны 2–10 мкм). В результате при пайке отсутствуют эффекты затенения, а компоненты и плата прогреваются равномерно, поскольку при такой длине волны разнородные материалы отличаются малой отражающей способностью.

Ограничение области нагрева платы достигается простой сменой диафрагм с различными размерами окон (рис. 1, поз. 4). Помимо плоских диафрагм предлагается собственная разработка ТЕРМОПРО, на которую заявлен патент – 3D-концентратор ИК-лучей. За счет специально рассчитанной фокусировки ИК-лучей применение 3D-концентратора дает пользователю три существенных преимущества при пайке BGA:

• улучшение равномерности теплового поля обеспечивает одновременное оплавление всех шариковых выводов;
• уменьшение размера теплового пятна снижает температуру на соседних с BGA компонентах (рис. 3);
• увеличение расстояния между верхним нагревателем и платой улучшает обзор и удобство доступа к зоне пайки BGA.

Рис. 3. Тепловое пятно на плате при пайке: а) с плоской диафрагмой; б) с 3D-концентратором ИК-лучей.

Не менее важным узлом ИК-станции является блок нижнего подогрева печатных плат. Предварительный нагрев платы по термопрофилю осуществляется с помощью термостолов различных размеров (рис. 4). Для оснащения ИК‑650 ПРО предоставляется широкая линейка взаимозаменяемых термостолов ТЕРМОПРО серии НП с различными габаритами зоны нагрева. Все термостолы могут поставляться и работать автономно, расширяя технологические возможности производства.

Рис. 4. Термостолы серии НП.

Особо можно выделить широкоформатный термостол НП 34-24 ПРО с размером нагревательной поверхности 340х240 мм (рис. 1, поз. 8). Такой размер с запасом перекрывает площадь компьютерной платы формата ATX. Равномерность распределения температуры по всей поверхности нагревателя термостола составляет не более ±4°C (при +200°C), что исключает температурную деформацию печатных плат при разогреве (рис. 5).

Рис. 5. Плата под объективом тепловизора.

На алюминиевую поверхность термостола нанесено специальное термостойкое покрытие, позволяющее оптимизировать спектр ИК-излучения в диапазоне длин волн 2–10 мкм, при этом эффективность и равномерность нагрева платы возрастают. Дополнительный вклад в равномерный нагрев вносит естественная конвекция от поверхности нагревателя к плате, которую ничто не затрудняет, ведь стекло в конструкции термостола отсутствует. Поверхность нагревателя разделена на две независимые зоны, при работе с небольшими платами можно включать лишь одну зону для экономии энергии.

Высокий запас нижнего нагревателя по мощности позволяет быстро разогреть плату до температуры +150…180°C. После этого верхний нагреватель повышает температуру в зоне пайки BGA на 50…65°C. В этом случае разница температур на плате будет небольшой, что уменьшает внутренние напряжения полученного паяного соединения, увеличивая его надежность, и не приводит к деформациям платы.

Высококачественная внутренняя теплоизоляция термостола предотвращает распространение тепла к стенкам корпуса, что увеличивает КПД и обеспечивает безопасность работы с прибором.

Печатная плата устанавливается непосредственно на нагревательную поверхность термостола с зазором. Для этого предназначены быстросъемные фторопластовые стойки – установка платы на таких стойках исключает коробление, поскольку линейное расширение платы при нагреве ничто не сдерживает. ИК‑650 ПРО поставляется с двумя видами стоек: для установки в отверстия от 2 мм и для зажима за края платы (рис. 1, поз. 10). Как дополнительное приспособление можно заказать рамочный держатель плат РД‑400 (рис. 6).

Рис. 6. Держатель плат РД400.

Динамическое управление нагревом и точное измерение температуры платы обеспечивается быстродействующими цифровыми терморегуляторами с энергонезависимой памятью температур и возможностью подключения к ПК (рис. 1, поз. 5, 9).

Температуры нагревателей и печатной платы контролируются высокотехнологичными термодатчиками на основе платиновых пленочных чувствительных элементов (рис. 1, поз. 7). Такие датчики взаимозаменяемы, не требуют калибровки и выдают более точные показания по сравнению с пирометрическими датчиками, на точность измерения которых оказывает влияние отраженное от платы ИК-излучение верхнего нагревателя. Для контроля температуры платы в базовом комплекте ИК‑650 ПРО предусмотрен один или два термодатчика. Для опционального увеличения числа точек контроля температуры к ИК‑650 ПРО можно подключить сертифицированное трехканальное средство измерения военного назначения ТЕРМОСКОП ТА‑570 М (рис. 7).

Рис. 7. Трехканальный измеритель температуры.

После пайки безопасное и контролируемое охлаждение платы реализуется при помощи управляемого воздушного охладителя (рис. 1, поз. 11). Он обеспечивает автоматическую поддержку заданной термопрофилем скорости охлаждения, способствуя правильной кристаллизации припоя, что не всегда встречается в дорогой продукции зарубежного производства.

Еще две интересные опции – USB-видео микроскоп и вакуумный пинцет. Система может работать практически с любой DirectShow-совместимой видеокамерой. С помощью микроскопа осуществляется визуальный контроль пайки по термопрофилю и автоматическая либо ручная видеозапись процесса пайки/демонтажа в файл, а также выполняются снимки с увеличением. Вакуумный пинцет (рис. 1, поз. 12) с присосками разного размера позволяет удобно устанавливать или демонтировать BGA-компонент после отпайки.