Конкуренция технологий или конкуренция оборудования?

В этом письме я не собираюсь системно разбирать технологию парофазной (конденсационной) пайки. Для тех, кто хочет найти подробное описание технологии и изучить принципы работы соответствующего оборудования, рекомендую обратиться к статье, опубликованной в журнале «Технологии в электронной промышленности» №6 от 2009 года. Статья написана Уве Филором, прекрасным специалистом компании ASSCON systemtechnik, которого многие видели и слышали на семинарах, проводимых компанией «Диполь Технологии».

Вообще-то, мне постоянно не хватает времени писать по многочисленным вопросам и проблемам, которые существуют в нашей отрасли. Но эта статья вынудила меня взяться за перо. Вынудила тем, что за, казалось бы, интересным заголовком, по моему мнению, скрывается одно — стремление дискредитировать еще достаточно новую для специалистов России технологию парофазной или, как ее еще называют, конденсационной пайки.

Если бы статья принадлежала рядовым технологам, может быть, я и не принял бы ее всерьез. Но авторы — главные специалисты одной из лидирующих компаний на российском рынке поставок технологического оборудования, пользующейся поддержкой в правительстве, и потому им тем более недопустимо столь не осторожно высказываться в открытой печати.

Еще одной причиной, по которой я вынужден отвечать на эту статью, является следующее. Именно специалистами нашей компании, а также наших российских партнеров во время посещения высокотехнологичных европейских производств и институтов было отмечено применение именно этой технологии при монтаже ответственных изделий. Проявив интерес и убедившись, что технология парофазной пайки действительно имеет ряд преимуществ перед конвекционной пайкой при монтаже электронных блоков на печатных платах с широким рядом корпусов компонентов, мы не могли не начать продвигать ее для предприятий российского рынка. И так как в России мы с этой технологией вышли на рынок первыми, то в партнеры смогли привлечь немецкую компанию ASSCON systemtechnik. Компанию, чье оборудование видели на предприятиях масштаба корпорации Ericcson, а также других, более или менее известных, где и познакомились с мнением их специалистов о данной технологии и оборудовании. В итоге выяснилось, что наш партнер — ASSCON systemtechnik, более 20 лет занимающийся технологией парофазной пайкой и производящий оборудование для этой технологии — несомненный лидер в этом сегменте рынка.

Поэтому статья моих оппонентов задевает не только компанию «Диполь Технологии», а также нашего немецкого партнера, фирму ASSCON systemtechnik, но и, что главное, способна оттолкнуть российских специалистов от желания изучить, а еще лучше — познакомиться на практике с одной из передовых технологий, которая активно развивается за рубежом. А ведь сегодня большая часть мировых производителей установок конвекционной пайки также начинают производить и печи для парофазной пайки.

Поэтому, когда руководство страны провозглашает курс на инновации, курс на активное внедрение новых технологий, российские компании, которые связывают предприятия России со всем передовым, что есть в мире, должны не блокировать новое, а внимательно изучать и распространять полученные знания среди своих партнеров — производственников. В данном случае, авторам явно стоило более тщательно ознакомиться с предметом.

А теперь вернемся к вышеупомянутой статье и для начала вспомним историю.

Для пайки выводных компонентов до сих пор широко применяются волновые линии пайки (не перепутайте с пайкой погружением и протягиванием, которые широко применялись у нас в стране при изготовлении бытовой аппаратуры). Применение волновых линий пайки в СССР мне известны с 1956 года. Особенно широко они используются при производстве бытовой и массовой продукции, где всегда необходимо иметь максимально возможную производительность труда. Технология волновой пайки сегодня позволяет также одновременно паять поверхностно монтируемые компоненты с шагом до 0,3 мм. Данная технология нашла применение и в машинах для селективной пайки.

Для пайки поверхностно монтируемых компонентов последовательно набирали вес технологии инфракрасной и конвекционной пайки. И только с середины 90-х годов и особенно с начала 2000-х монтажные производства стали активно внедрять технологию парофазной пайки и парофазной пайки с вакуумом.

Технология инфракрасной пайки проще реализовалась при разработке оборудования, и поэтому на первом этапе освоения технологии поверхностного монтажа нашла широкое применение. Впоследствии из-за развития типов корпусов компонентов, особенно материалов, из которых они сделаны, использование линий с инфракрасным нагревом стало ограничиваться и сегодня они практически повсеместно не используются для пайки. Причина этому — различная степень нагрева материалов корпусов компонентов и печатных плат из-за разницы их степени поглощения/отражения инфракрасного излучения. В настоящее время печи с инфракрасным излучением в основном применяются для термоотверждения клеев и влагозащитных покрытий электронных блоков на печатных платах и узлов в зависимости от используемых материалов.

Машины для конвекционной пайки более сложны в разработке из-за проблем организации распределения воздушных потоков в печи. Это связано с открытостью камер туннеля и изменяемыми объемами для перемещения воздуха при движении платы. Поэтому наиболее сильные производители моделировали процессы на макетах с прозрачными стенами печи (не надо путать с печами для учебных заведений). Долгое время технология конвекционной пайки доминировала во всем мире, так как на определенном этапе она являлась наиболее отработанной. Но с усложнением электронных блоков (применение в ответственных изделиях многослойных печатных плат с высокой плотностью монтажа, печатных плат со встроенными металлическими теплоотводящими от компонентов слоями, а также большими металлокерамическими корпусами компонентов с закрытыми выводами) возникающие температурные перепады на плате и компоненте стали оказывать существенное влияние на надежность изделий.

Чем это вызвано? Во-первых, самой конструкцией печи туннельного типа. Печатная плата, проходя через туннельную печь, уже имеет неравномерный нагрев. Передняя часть платы по ее движению имеет температуру всегда выше, чем задняя часть. Это легко отследить с помощью нескольких термопар, закрепленных по длине движения на плате. Их температурные профили всегда имеют временной сдвиг. Этот факт можно наблюдать даже на конвекционных печах для средних учебных заведений, например, «Мистраль». На небольших по размеру платах это было не так опасно.

Но возьмем плату длиной около 300…400 мм с теплоотводящими металлическими слоями. Спроецируем ее перемещение на приведенный авторами статьи график (см. рис. 1). При скорости конвейера печи

Рис. 1. Моменты нахождения паяемых плат в точках изменения температур нагрева, где ощутима разница воздействия на плату горячего воздуха/азота при прохождении конвекционной печи

0,3 м/мин, что равно 0,5 см/с имеем: длина туннеля печи около 3 метров, длина плат в печи 20, 30 и 40 см соответственно. График температурного профиля снимается в конкретной точке на плате, компоненте. Обратите внимание на динамическое распределение температур по поверхности платы при ее прохождении точек перегибов кривой графика. В этих точках формирование температуры нагрева платы и компонентов будет в большой мере зависеть от материалов и конструктива изделия, от их теплопроводности. Ведь печь в этих зонах одни участки платы нагревает, а другие участки этой же платы остужает.

Что в этом случае происходит с платой? И что вам скажет в случае расслоения платы после пайки ее изготовитель? Правильно. Перегрели. И никто не докажет, что расслоение произошло из-за нарушений технологии при «мокрых процессах».

Во-вторых, что произойдет с крупным компонентом, например, в корпусе размером 50×50 мм с закрытыми выводами? Ведь кроме описанного выше эффекта «растра» при прохождении печи, для того чтобы обеспечить качественное паяное соединение «шариков», мы должны в начале прогреть все то, что желательно не греть, прежде чем тепло дойдет до места пайки.

На этом примере каждый технолог может просчитать для своего графика температурного профиля, скорости перемещения в печи платы и длины нагревательного туннеля разницу температур на поверхности платы при ее пайке.

Именно эти факты и послужили причиной поиска и развития новых технологий и оборудования для пайки.

Рисунок 2 показывает максимальную разницу нагрева сложных плат при пайке всеми тремя наиболее широко применяемыми сегодня методами.

Рис. 2. Максимальная разница нагрева при пайке сложной платы в печи с инфракрасным, конвекционным подогревом и в парофазной печи

Парофазная пайка, строго говоря, не совсем новая технология. Ее применение сдерживалось отсутствием стабильного материала-теплоносителя. И только с его появлением технология парофазной (конденсационной) пайки обрела вторую жизнь. При этом в системе возможно использование разных теплоносителей.

В связи с вышеизложенным рассмотрим ряд утверждений авторов статьи. Раздел «Точность реализации температурного профиля». Здесь совершенно правильно говорится, что использование теплоносителя в парофазной печи не позволяет устанавливать температуру пайки более, чем температура парообразования теплоносителя. Но это вовсе не равнозначно утверждению, что машина использует один и тот же температурный профиль и потому не нужно проверять и отлаживать его для каждого нового узла.

Мы ответственно говорим, что отмеченное выше ограничение по температуре нагрева, а также автоматическое определение завершения прогрева паяемого узла до температуры парообразования теплоносителя и автоматическое же завершение процесса пайки позволяет во многих случаях добиться хороших результатов без дополнительных процессов выставления профилей пайки. Это утверждение основано на принципах работы печей компании ASSCON systemtechnik, которое не распространяется на машины других производителей. Задайте машине этой компании скорость предварительного нагрева в пределах 1,5…2,5 градусов в секунду, и дальше весь процесс происходит автоматически. То есть, машина сама определяет время нахождения паяемых узла или узлов в зоне пайки, контролируя изменения объема пара. По мере прогрева паяемых узлов уровень пара в камере увеличивается, и при достижении контрольных значений, при которых конденсат полностью испаряется с поверхности паяемого узла (это означает, что паяемый узел и детали на нем прогрелись до температуры парообразования), процесс пайки завершается и изделие поднимается в зону охлаждения. Процесс для разных изделий или разного загруженного в печь их количества в зависимости от их теплоемкости будет различаться по времени, и говорить, что при этом используется один и тот же температурный профиль, не обоснованно.

Выставлять температурный профиль необходимо лишь в тех случаях, когда используются платы и компоненты с плохой паяемостью, и для увеличения времени работы флюса по очистке поверхностей пайки требуется значительно увеличить время предварительного нагрева. Кроме того, специальные режимы приходится выставлять при особых требованиях, а также в случаях, когда паяемые узлы имеют большую массу и теплоемкость, но при этом отдельные компоненты в нем имеют ограничения по температурному воздействию.

Теплоносители как при конвекционной пайке (воздух или азот), так и при парофазной (в нашем случае — жидкий полимер) выполняют функцию переноса тепла от электронагревателей к паяемому узлу. Коэффициенты теплопередачи представлены в таблице 1. Как видим, жидкость и конденсированный пар как теплоноситель значительно более эффективны, чем газовые теплоносители. Поэтому утверждение авторов статьи, что теплоемкости парообразного теплоносителя может не хватить, не соответствует действительности, так как тепловая мощность машины пайки зависит от мощности электрических нагревателей. А высокий коэффициент теплопередачи конденсированного пара позволяет более рачительно использовать электроэнергию для пайки.