Уважаемые пользователи! Приглашаем Вас на обновленный сайт проекта: https://industry-hunter.com/
Термокомпрессионная пайка. Часть II - ЭЛИНФОРМ
Информационный портал по технологиям производства электроники
Термокомпрессионная пайка. Часть II - ЭЛИНФОРМ
На главную страницу Обратная связь Карта сайта

Скоро!

Событий нет.
Главная » Техническая информация » Статьи » Термокомпрессионная пайка. Часть II
02 ноября 2007

Термокомпрессионная пайка. Часть II

Оглавление:
  1. Термокомпрессионная пайка
  2. Термокомпрессионная пайка. Часть II

Гибкие печатные платы и кабели

Наиболее распространенный тип гибких соединителей, используемых в процессе ТКП, изготавливаются из полиимида (известного под торговой маркой Kapton). Между двумя слоями полиимида заключены медные проводники (обычно 0,5 – 2 унции/кв. дюйм), изготовленные из катанной отожженной или электроосажденной меди. Из соображений экономической эффективности метода наиболее широко применяется электроосаждение меди. Толщина медных проводников варьируется от 0,0007 – 0,004" (~18 – 102 мкм). Толщина полиимидной пленки составляет 0,001 – 0,047" (~0,025 – 1,19 мм). Температура эксплуатации полиимидных материалов составляет 130 – 200°С, но они могут кратковременно выдерживать температуру до 300°С при пайке [2].

Падение температуры по сравнению с термодом для Каптона, в зависимости от его толщины, может составлять от 50 до 80°С (вследствие кондуктивных потерь).

Конструкции выводов гибких печатных плат, применяемых для процесса ТКП

Рис. 8. Конструкции выводов гибких печатных плат, применяемых для процесса ТКП: а) с «открытыми выводами»; б) с «односторонними» выводами; в) с «открытым окном» для выводов. Рисунок из [2].
 

Существуют три основные конструкции выводов гибких печатных плат, применяемых для процесса ТКП (рис. 8):

  1. Конструкция с «открытыми выводами» - полиимидный материал удален с обеих сторон платы, полностью открывая концы выводов. Обращаться с такими выводами нужно с осторожностью, так как они легко подвержены изгибу и повреждению. Термод в этом случае непосредственно контактирует с проводниками. Если КП платы и площадь контакта с термодом подобраны правильно, такая конструкция позволит справиться с некоторым избыточным количеством припоя на КП, так как для его растекания есть открытые области.
  2. Конструкция с «односторонними» выводами, где полиимид удален только с одной стороны. Тепло проводится от термода через слой полиимида к расположенным ниже открытым проводникам. Толщина полиимидного слоя в области соединения ограничена величиной 0,002" (~0,05 мм), чтобы обеспечить хорошую теплопередачу. Если полиимид должен быть нагрет до температур, значительно превышающих 260°С, может произойти обугливание поверхностей термода и платы. Эта конструкция не допускает избыточного количества припоя на КП, так как места для его растекания нет.
  3. В конструкции с «открытым окном» для выводов материал в месте соединения удален с обеих сторон платы, но остается между КП и на концах выводов. Такая конструкция придает некоторую жесткость гибкой плате и хорошо противостоит небрежному обращению. Так как проводники полностью открыты, теплопередача к ним хорошая и избыточный припой имеет пространство для растекания. Важным является подбор размеров термода – он должен соответствовать окну и давать место для течения расплавленного припоя.

Для каждой конструкции выводов термод должен устанавливаться соответствующим образом (рис. 9). Современные системы ТКП в состоянии работать с компонентами с шагом выводов до 50 мкм.

Расположение термода в зависимости от конструкции выводов гибкой платы

Рис. 9. Расположение термода в зависимости от конструкции выводов гибкой платы: а) с «открытыми выводами»; б) с «односторонними» выводами; в) с «открытым окном» для выводов. Рисунок из [2].
 

Проводники гибких печатных плат в месте образования паяного соединения должны, в общем случае, быть у́же КП на печатной плате. В этом случае с каждой стороны проводника гибкой платы остается свободное место для растекания припоя, что позволяет избежать образования перемычек даже при некотором излишке припоя в соединении (рис. 10). Также это необходимо для формирования галтели на уровне 50% от толщины вывода [3]. Кроме того, неширокие проводники упрощают совмещение двух деталей. Для проводников с малым шагом ширина КП на печатной плате составляет 55%, а на гибкой – 45% от шага проводников [1]. Это снижает риск закорачивания соседних площадок вследствие неточного совмещения.

Если проводники гибких печатных плат в месте образования паяного соединения у́же КП на печатной плате, то с каждой стороны проводника гибкой платы остается свободное место для растекания избыточно нанесенного припоя

Рис. 10. Если проводники гибких печатных плат в месте образования паяного соединения у́же КП на печатной плате, то с каждой стороны проводника гибкой платы остается свободное место для растекания избыточно нанесенного припоя. Рисунок из [2].
 

Такие материалы ПП, как FR2 и FR4, хорошо переносят локальный нагрев. Особый контроль температуры требуется при пайке керамических подложек из-за опасности их растрескивания. Растрескивание паяного соединения также может произойти в процессе охлаждения при значительных различиях теплоемкости соединяемых материалов.

Полиамидные материалы должны быть как можно более тонкими для обеспечения хорошей теплопередачи. Материал основы ленточного кабеля, являясь хорошим теплоизолятором, будет затруднять кондуктивную передачу тепла. Дополнительный нагрев для компенсирования этих потерь может привести к обугливанию материала при превышении максимальной температуры. Рекомендуемая толщина материала составляет 25 мкм [3].

Вокруг паяного соединения на плате не должно располагаться больших металлизированных областей, которые будут работать в качестве радиаторов и могут препятствовать нагреву КП до требуемой температуры. Тепло от термода будет распространяться на 3 – 5 мм по поверхности платы и вглубь нее [1].

Разница в отведении тепла вдоль паяного соединения – одна из типовых проблем проектирования КП. Большое изменение теплоемкости по площади паяного соединения может привести к изменению температуры и нестабильности его качества.

Типичные проблемы с геометрией проводников и КП, вызывающие избыточный теплоотвод от паяного соединения, и способы их решения

Рис. 11. Типичные проблемы с геометрией проводников и КП, вызывающие избыточный теплоотвод от паяного соединения, и способы их решения. Рисунок из [2].
 

Типичные проблемы с геометрией проводников и КП приведены на рис. 11 [2]:

А. Тепло легко отводится от соединения благодаря большому теплоотводу, который расположен слишком близко.

Б. Металлизированное отверстие отводит тепло от соединения.

Решения:

В. Следует уменьшить толщину проводника, организовав перемычку, препятствующую отведению тепла с КП. Если используются перемычки, в пределах площади, определяемой расстоянием d = 0,08" (~2 мм), не должно быть никаких элементов конструкции, которые могут стать теплоотводами.

Г. Одинаковые узкие перемычки обеспечивают равномерное распределение тепла по паяному соединению.

Для многослойных плат также следует:

  • ограничить наличие проводников во внутренних слоях под областью паяного соединения только сигнальными проводниками наименьшей ширины;
  • распределить эти проводники под областью паяного соединения равномерно;
  • иметь в виду, что любая область экранирования на ПП действует подобно теплоотводу.

Нанесение припоя и флюса

Перед выполнением ТКП контактные площадки платы должны быть покрыты припоем, который, например, наносится с помощью трафаретной печати и затем оплавляется в печи оплавления. Количество наносимого припоя зависит от размеров и шага расположения КП. Рекомендуется начать с трафарета толщиной 0,006" (~150 мкм) либо 0,005" (~125 мкм) и площади апертуры, равной 40% от площади КП [1, 2]. Нанесенный отпечаток паяльной пасты после оплавления равномерно распределится по всей площади КП. Равномерность толщины покрытия определяет качество паяного соединения. Средняя высота припоя на КП должна составлять 50 мкм для большого шага КП и 10 мкм – в случае малого шага их расположения. Согласно [3], типичная толщина покрытия составляет 25 мкм для пайки открытых выводов и 15 мкм для пайки односторонних выводов ленточного кабеля. Как отмечается в [4], при уменьшении шага расположения КП возрастает важность определения правильного объема припоя и размеров термода.

Типичным покрытием является олово-свинец (Sn63/Pb37) [3]. Для деталей с малым шагом проводников припой, как правило, выравнивается воздушным ножом, что равномерно распределяет его по КП и обеспечивает хорошую теплопередачу при пайке благодаря плоской поверхности. В таблице 2 приведены параметры трафарета и требуемый объем наносимой паяльной пасты при различных покрытиях проводников, размерах и шаге расположения КП по данным [2]. Детали перед пайкой должны быть очищены от загрязнений и окислов.

Таблица 2. Параметры трафарета и требуемый объем наносимой паяльной пасты для лужения КП в зависимости от конструкции платы по данным Unitek Miyachi Corporation.
Размер КП, [мм/дюйм] Шаг расположения КП, [мм/дюйм] Требуемый объем пасты, [мм³/дюйм] Толщина трафарета, [мкм/дюйм] Размеры апертур трафарета при различных покрытиях проводников
Химический Ni/Au
Горячее лужение с выравниванием воздушным ножом (HASL)
Пассивированный Cu/Pd
0,4x3,2/0,016x0,126” 0,8/0,031” 0,02–0,03/0,00079–0,0012” 100/0,004” 0,36x1,2/0,014x0,047 0,36x1,6/0,014x0,063
150/0,006” 0,30x1/0,012x0,039 0,30x1,2/0,012x0,047
175/0,007”  0,26x1/0,010x0,039 0,26x1,2/0,010x0,047
0,8x5,5/0,031x0,216” 1,5/0,059” 0,07–0,10/0,0028–0,0039” 100/0,004” 0,74x1,9/0,029x0,075 0,74x2,7/0,029x0,106
150/0,006”  0,6x1,5/0,024x0,059 0,6x2,2/0,024x0,086
175/0,007”  0,5x1,6/0,020x0,063 0,5x2,3/0,020x0,091
200/0,008” 0,4x1,7/0,016x0,067  0,4x2,5/0,016x0,098
0,8x4,5/0,031x0,177” 1,6/0,063” 0,057–0,08/0,002–0,0032”  100/0,004” 0,7x1,6/0,028x0,063 0,7x2,3/0,028x0,091
150/0,006” 0,6x1,3/0,024x0,052 0,6x1,8/0,024x0,071
175/0,007” 0,5x1,3/0,020x0,052 0,5x1,8/0,020x0,071
200/0,008” 0,4x1,4/0,016x0,055  0,4x2,0/0,016x0,055
1x4,5/0,039x0,177” 2,0/0,079” 0,07–0,1/0,0028–0,0039” 100/0,004” 0,74x1,9/0,029x0,075 0,74x2,7/0,029x0,106
150/0,006” 0,6x1,5/0,024x0,059 0,6x2,2/0,024x0,086
175/0,007” 0,5x1,6/0,020x0,063 0,5x2,3/0,020x0,091
200/0,008”  0,4x1,7/0,016x0,067 0,4x2,5/0,016x0,098
1,5x5,5/0,059”x0,216” 3,0/0,118” 0,13–0,19/0,0051–0,0075” 100/0,004” 1,2x2,2/0,047x0,087 1,2x3,1/0,047x0,122
150/0,006” 1,1x1,6/0,043x0,063 1,1x2,3/0,043x0,091
175/0,007” 1,0x1,5/0,039x0,059 1,0x2,1/0,039x0,083
200/0,008”  0,9x1,4/0,035x0,055  0,9x2,0/0,035x0,055

 

Флюс в процессе пайки проводит тепло к припою и обеспечивает смачивание поверхностей путем очистки и удаления окислов. Рекомендуется нанесение минимального количества флюса с малым количеством твердых остатков – не требующего отмывки, либо иногда RMA-флюса. Чем меньше содержание твердых остатков флюса, тем меньше загрязняется термод. Необходимо обеспечить свободное удаление всех растворителей перед началом процесса пайки. Слишком малое количество нанесенного флюса может привести к недостаточному смачиванию, избыточное – к образованию шариков припоя и перемычек. Флюс наносится либо вручную кисточкой, либо распылением.

Контроль качества соединения

Так как давление прикладывается и в течение этапа охлаждения, вероятность получения непропаянного соединения довольно мала. На паяном соединении должен быть виден четкий и равномерный отпечаток термода. Оно должно иметь гранулированную структуру. Не должно быть признаков обугливания или отслоения КП или проводников печатной и гибкой платы. Если паяется конструкция с «односторонними» выводами, могут наблюдаться отметины и изменение цвета на верхней стороне полиимида, но также не должно быть расслоения либо обугливания. Остатки флюса должны подвергаться отмывке после пайки, кроме флюсов, не требующих отмывки с малым количеством твердых остатков.

Оборудование

ТКП является полуавтоматическим процессом. Ряд простых моделей оборудования для ее выполнения (рис. 12) очень сходно с настольными контактными сварочными машинами [6, 13]. Детали фиксируются в специальной оснастке, которая загружается в станок с помощью линейных направляющих. Направляющие имеют одну или несколько настраиваемых положений остановки изделия и произведения пайки. Движение оснастки осуществляется либо вперед-назад, либо слева направо для увеличения производительности операции загрузки/выгрузки. Оператор устанавливает в устройство фиксации гибкую плату (кабель и т.д.), перемещает оснастку по направляющим в рабочую зону и включает привод станка. Пневмоцилиндр опускает термод, и начинается процесс пайки.

Простые настольные модели оборудования для ТКП

Рис. 12. Простые настольные модели оборудования для ТКП: а) с линейными направляющими; б) с поворотным столом. Фото из [13].
 

Существуют также системы с поворотным столом, управляемым вручную либо с помощью пневмопривода. Столы оснащены, как правило, двумя рабочими позициями. Одновременная загрузка/выгрузка изделий в таких системах ускоряет работу. Загрузочная позиция всегда находится перед оператором, благодаря чему такие системы удобны в эксплуатации.

Подобное оборудование подходит для многономенклатурных мелкосерийных производств, а также для целей прототипирования.

Отдельно стоящие системы (рис. 13) также построены на базе линейных направляющих либо поворотного стола [7]. Они могут иметь направляющие с программируемым ходом и свободным положением остановки изделия, число рабочих позиций у систем с поворотным столом увеличено до 2 – 6. Некоторые модели оборудования оснащены системой технического зрения и видеокамерой, помогающей оператору точно совмещать соединяемые детали. Системы работают с большими платами, имеют до 6 паяльных головок и ориентированы на большие объемы производства.

Отдельно стоящие модели оборудования для ТКП

Рис. 13. Отдельно стоящие модели оборудования для ТКП: а) с линейными направляющими; б) с поворотным столом. Фото из [9, 11].
 

На заказ к таким системам поставляются специальные модули фиксации, питатели полиимидной ленты, системы водяного охлаждения, устройства точного совмещения для компонентов с малым шагом КП и выводов, системы визуальной инспекции.

Термод, находящий в контакте с флюсом/припоем, нуждается в периодической очистке для предотвращения его облуживания припоем и окисления. Такое загрязнение термода помогает предотвратить модуль подачи полиимидной ленты Kapton Feeder [12], который протягивает полиимидную ленту с катушки и располагает ее под термодом при каждом цикле пайки (рис. 14).

Модуль подачи полиимидной ленты для предотвращения загрязнения термода

Рис. 14. Модуль подачи полиимидной ленты для предотвращения загрязнения термода. Фото из [12].
 

Основные параметры полуавтоматических устройств для ТКП представлены ниже в таблице 3 с указанием диапазона типичных значений [611, 1315].

Таблица 3. Основные параметры полуавтоматических устройств для ТКП
Параметры устройства
Подача воздуха 4-8 бар, сухой и фильтрованный воздух
Максимальная высота оснастки с изделием 80 мм
Максимальный размер обрабатываемого изделия 160 х 160 мм
Диаметр поворотного стола (для системы с поворотным столом)  380 мм
Количество хранимых профилей оплавления 4 – 20
Параметры паяльной головки
Диапазон температур предварительного нагрева 30 – 500°C (с шагом 1°C)
Диапазон температур основного нагрева 30 – 600°C (с шагом 1°C)
Время предварительного нагрева 0 – 200 с (с шагом 0,1 – 1 с)
Время подъема температуры при нагреве 0 – 9,9 с (с шагом 0,1 с)
Время выдержки при нагреве 0,1 – 200 с (с шагом 0,1 – 1 с)
Точность температуры ±2% от показаний прибора или ± 6°C (что больше)
Повторяемость температуры ±1% от показаний прибора
Максимальная длина устанавливаемого термода 50 – 100 мм
Диапазон прикладываемых усилий 30 – 1250 Н
Точность приложения силы ±2% либо ±2 H ±2% либо ±6 Н
Повторяемость приложения силы ±1% либо ±2 H ±2% либо ±3 Н
Тип термопары К
Ход термода 25 – 50 мм

 

Заключение

Рассмотренный процесс термокомпрессионной пайки широко применяется для формирования разнообразных соединений гибких и жестких печатных материалов между собой. Относительная простота, надежность, совместимость с широкой номенклатурой материалов, хорошая степень автоматизации, большое количество выпускаемых моделей оборудования и оснастки позволило ему завоевать широкую популярность при сборке электронной аппаратуры. Процесс постоянно совершенствуется, появляются его более современные разновидности, например, упоминавшееся выше соединение с применением анизотропного проводящего клея. Данным процессам будут посвящены дальнейшие статьи на нашем портале.

Список использованных источников

Статьи

  1. PULSED-HEAT HOT-BAR REFLOW SOLDERING. A high-quality Selective Soldering Technique/Unitek Eapro – 2003.
    http://www.unitekmiyachi.com/res_resources/pdf/Reflow_Soldering_Process.pdf
  2. Part Design and Process Guidelines For Pulse Heated Reflow Soldering of Flexible Circuits to Printed Circuit Boards/Unitek Miyachi Corporation – 1999.
    http://www.unitekmiyachi.com/res_resources/pdf/Part_Design_Guidelines.pdf
  3. REFLOW SOLDERING. Hot bar soldering/Trimech Technology PTE Ltd.
    http://www.cherusal.com/images/technical/reflow.pdf
  4. John Sprovieri. Step up to the Bar/Assembly magazine – September 1, 2006.
    http://www.assemblymag.com/CDA/Archives/2726e8971c56d010VgnVCM100000f932a8c0____
  5. Pulse Heated Thermode Selection Guide/Miyachi Unitek Corporation – 2006.
    http://www.miyachiunitek.com/res_products/pdf/ThermodeSelectorGuide.pdf, http://www.unitekmiyachi.com/Products_Node_View.asp?id=40131

Оборудование и технологии

  1. Hot Bar Systems. Desktop Series/Unitek Eapro – 02.2003.
    http://www.unitekeapro.com/files/190.pdf
  2. Hot Bar Systems. Stand-Alone Series/Unitek Eapro – 07.2002.
    http://www.unitekeapro.com:80/files/470.pdf
  3. Hot Bar Systems. UNI-SLIDE. MANUAL, STAND-ALONE HEAT-SEAL SYSTEM/ Unitek Eapro – 09.2003.
    http://www.unitekeapro.com:80/files/154.pdf
  4. Hot Bar Systems. UNI-SLIDE PLUS. STAND-ALONE SYSTEM FOR PULSED-HEAT JOINING PROCESSES/ Unitek Eapro – 02.2004.
    http://www.unitekeapro.com:80/files/162.pdf, http://www.unitekeapro.com:80/pages.php?id=146
  5. HEAT-SEAL BONDING. UNI-TURN. SEMI-AUTOMATIC HIGH PRECISION HEAT-SEAL SYSTEM/ Unitek Eapro – 11.2002.
    http://www.unitekeapro.com:80/files/167.pdf
  6. Hot Bar Systems. UNI-TURN PLUS. SEMI-AUTOMATIC HIGH PRECISION BONDING SYSTEM/ Unitek Eapro – 09.2003.
    http://www.unitekeapro.com:80/files/173.pdf, http://www.unitekeapro.com:80/pages.php?id=148
  7. KEY MODULES. KAPTON FEEDER. FOR HOT-BAR REFLOW SOLDERING PROCESSES ONLY/ Unitek Eapro – 07.2002.
    http://www.unitekeapro.com:80/files/627.pdf, http://www.unitekeapro.com:80/pages.php?id=151
  8. Hot Bar Soldering & Heat Seal Systems: Now, meet the challenges of specialized bonding & soldering applications/Fancort Industries, Inc.
    http://www.fancort.com/pdfs/pulse_bond.pdf
  9. Hot bar soldering. Heat sealing/Panacol-Elosol GmbH.
    http://www.panacol.com/images/pdf/buegel-heiss_gb.pdf
  10. Hot bar soldering machine TM-111-MKIII/Trimech Technology PTE Ltd.
    http://www.cherusal.com/tm-111mkiii.htm#, http://www.cherusal.com/brochures/english/TM-111.pdf
  11. ACA/Heat-Seal Bonding/ Unitek Eapro.
    http://www.unitekeapro.com:80/pages.php?id=86
Страницы статьи: 1  2 



Последние новости

АРПЭ провела практическую конференцию "Экспорт российской электроники"
подробнее
Портфельная компания РОСНАНО «РСТ-Инвент» разработала RFID-метки нового поколения WinnyTag Duo
подробнее
Научно-технический семинар «Электромагнитная совместимость. Испытательные комплексы для сертификационных и предварительных испытаний военного, авиационного и гражданского оборудования»
подробнее
Официальное представительство Корпорации Microsemi примет участие в выставке «ЭкспоЭлектроника» 2018
подробнее
Новое оборудование в Технопарке Зубово
подробнее
Избраны органы управления Технологической платформы «СВЧ технологии»
подробнее
«Рязанский Радиозавод» внедряет инструменты бережливого производства
подробнее
© “Элинформ” 2007-2021.
Информационный портал для производителей электроники:
монтаж печатных плат, бессвинцовые технологии, поверхностный монтаж, производство электроники, автоматизация производства