Spájkovanie v parách
Výrobnú halu SMT - povrchovej montáže dosiek plošných spojov si v súčasnosti prakticky nevieme predstaviť bez tradičných spájkovacích pecí s nútenou konvekciou horúceho vzduchu. Typickú predstavu takejto pece má každý, kto sa zaoberá SMT - za osadzovacími automatmi, prípadne automatickou optickou inšpekciou a medzioperačnými dopravníkmi sa takmer vždy nachádza niekoľko metrov dlhý kolos s viacerými výhrevnými zónami, žiadnou až niekoľkými chladiacimi zónami, s možnosťou pripojenia N2 alebo bez. Množstvá spotrebovaných kW, hocako revolučný je sekvenčný systém nábehu jednotlivých zón pri štarte, hocako perfektne je riešená tepelná izolácia horúcich častí pece. Nutnosť zložitého profilovania pri nábehu každého nového produktu.
Takýto tradičný obraz hegemónie konvekčných pecí by však v budúcnosti mohla narušiť progresívna technológia spájkovania v parách a to najmä pri narastajúcom dôraze na kvalitu zaspájkovania. Pritom táto technológia nie je vôbec nová.
Spájkovanie v parách (Vapor phase soldering, VPS), známe tiež ako kondenzačné spájkovanie prešlo viacerými obdobiami striedavej popularity. Technológia bola jednou z vážnych kandidátov na rozhodovacej križovatke perspektívnych technológií začiatkom 80-tych rokov minulého storočia. Jej širšiemu využitiu však zabránilo niekoľko príčin:
- technologické problémy samotného procesu ako wicking u nožičkových komponentov alebo tombstoning u čipových komponentov
- komplikovanosť procesu - viacfázový proces s použitím viacerých procesných médií
- pokrok a zdokonalenie IR procesu v tom čase
- široké procesné okno vtedy dominantných olovnatých spájok.
Až nábeh bezolovnatej technológie znova otvoril cestu k revízii technológie VPS. Dôvodom bolo významné zúženie procesného okna reflow procesu u bezolovnatej spájky ako aj značný pokrok v konštrukcii VPS zariadení, a v podstate v zjednodušení celého VPS procesu. K jeho zjednodušeniu prispelo aj v súčasnosti používané procesné médium Perfluoropolyéter.
V krátkosti sa možno zmieniť, že v zásade existujú dva princípy procesu VPS a to spájkovanie v nasýtených parách a spájkovanie v nenasýtených parách. Nesporné technologické prednosti procesu v nasýtených parách (nemožnosť prehriatia substrátu, menej komplikované zariadenie, stabilita procesu) spôsobili, že prakticky všetci výrobcovia ponúkajú zariadenia s procesom v nasýtených parách, naopak zariadenia s procesom v nenasýtených parách z trhu prakticky zmizli. Preto sa v ďalšej časti budeme venovať iba tomuto princípu.
PROCESNÉ MÉDIUM
Pozrime sa teraz na samotné procesné médium, a jeho hlavné výhody ktoré prináša do procesu.
Perfluoropolyétery (PFPE)sú kvapalné polyméry, ktoré plne pozostávajú z atómov uhlíka (C)-, fluóru (F)- a kyslíka (O). Väzby vo vnútri molekuly sú C-=- a C-F-väzby a sú extrémne odolné. Radia sa medzi najodolnejšie väzby v celej uhlíkovej chémii. Atómy fluóru naviazané na reťaz centrálneho polyméru výborne chránia uhlíkovú mriežku a tým ochraňujú zraniteľnejšie C-C väzby proti chemickým a termálnym útokom.
Kvapalné polyméry používané v dnešných VPS zariadeniach sú všetky vytvorené v súlade s týmto princípom a vykazujú mimoriadne vlastnosti:
- Vysoká tepelná stabilita
- Definovaný bod varu (napr. 230°C u polyméru používaného pre bezolovnatý VPS proces)
- Excelentná materiálová kompatibilita
- Vysoká rezistencia proti reaktívnym chemikáliám
- Dobré dielektrické vlastnosti
- Nízky tlak pár
- Nehorľavosť
- Vysoká hustota pár
- Výborný koeficient prenosu tepla
- Nízke povrchové napätie, dobré zmáčacie vlastnosti
- Nie je klasifikovaný ako nebezpečný materiál podľa zákonov ochrany pri práci
- Žiadna chemická aktivita (perfluorinované, tzn. žiadne H- alebo CI-atómy)
- Žiadny potenciál narúšania ozónovej vrstvy
Príležitostne býva kladená otázka bezpečnosti kondenzačného procesu vyplývajúca z týchto vlastností. Avšak početné štúdie bez akýchkoľvek pochybností potvrdili pozitívne vlastnosti.
Perfluoropolyétery používané vo VPS sú nehorľavé a sú a sú mimoriadne inertné voči všetkým chemikáliám až do veľmi vysokých teplôt. Nereagujú s kyselinami, bázami alebo silnými oxidačnými látkami. Sú kompatibilné so všetkými známymi plastmi, kovmi a elastomermi. Ak sú použité v súlade s príslušnými odporučeniami, to jest pri normálnom tlaku a v ich bode varu, všetky sú tepelne stabilné.
Zóna pár vytvára vďaka jej vysokej hustote inertnú zónu, ktorá spoľahlivo chráni spájkovaný produkt pred oxidáciou. Kyslík prítomný v molekulách je chemicky viazaný, nie je teda voľný pre reakcie.
Perfluoropolyétery používané vo VPS boli v množstve testov preskúmané na toxické produkty rozpadu, taktiež aj v procesných podmienkach. Nikdy neboli detekované žiadne vedľajšie toxické produkty.
Ďalšie použitia týchto molekúl sú:
- Ako mazivá vo vákuu a vysoko teplotných aplikáciách.
- Ako ochranný náter na budovy.
- Ako uvoľňovacie činidlá.
- Ako základ pre krémy a kozmetiku.
- Chladiace médium pre vysoko výkonné počítače.
- Náhrada krvi v medicíne.
PROCES VPS
V skratke si principiálne popíšeme, ako prebieha proces VPS. Substrátom je DPS s komponentmi osadenými v nanesenej spájkovacej paste.
V prvom kroku je "chladná" DPS dopravená do komory, v ktorej sa odparujú pary z procesnej kvapaliny (média) - perfluoropolyetheru.
Kvapalina je chemicky inertná, s hustotou takmer dvojnásobnou ako voda. Kvôli rozdielu teploty DPS a pary, začne na oboch stranách DPS okamžite dochádzať ku kondenzácii. Skondenzovaná para vytvorí na celom povrchu zostavy DPS tenký film.
Veľké povrchové napätie kvapaliny umožní pokryť každú medzeru na DPS ako sú napr. priestory pod BGA, husto uložené alebo špeciálne tvarované komponenty, a pod. Vďaka veľkej hustote pár, kvapalný film na DPS vytlačí z priestoru kyslík, proces spájkovania teda prebieha v prostredí bez kyslíka. Film je tiež veľmi dobrým vodičom tepla, tzn. tepelná energia je prenášaná na DPS všade a rovnomerne.
Kvapalina je vyhrievaná elektrickými výhrevnými telesami. Akonáhle dosiahne bod varu, jej teplota sa ďalej nezvyšuje. Akákoľvek ďalšia dodávaná energia je tak využitá na produkciu väčšieho množstva pary. (enhtalpia procesu vyparovania).
Množstvo kvapaliny kondenzujúce na DPS závisí na množstve pár v komore. Ak výhrevné telesá dodávajú viac tepelnej energie, množstvo pár v komore vzrastie.
Reguláciou tepelnej energie dodávanej výhrevnými telesami procesnej kvapaline môžme meniť množstvo kondenzovanej kvapaliny na DPS. Takto môžme regulovať rýchlosť ohrevu DPS po jej vložení do komory.
Kondenzácia pár na DPS sa skončí akonáhle celá zostava DPS dosiahne teplotu pár. To znamená, že bod varu procesnej kvapaliny definuje maximálnu teplotu, ktorej môže byť DPS vystavená. Pre bezolovnaté spájkovanie sa odporúča kvapalina s bodom varu 230ºC a pre Sn/Pb spájkovanie - 200ºC. Iné kvapaliny sú komerčne dostupné a to s bodmi varu od 160ºC do 260ºC.
Akonáhle je spájkovacia pasta kompletne pretavená DPS je vyňatá z komory / zóny pár. Po tom ako DPS opustí zónu pár, zvyšky kondenzátu na DPS sa kompletne odparia vďaka zvyškovému teplu DPS.
V poslednom kroku procesu sa suchá zaspájkovaná DPS ochladí v chladiacej zóne.
VPS VO VÁKUU
Množstvo uskutočnených testov dokazuje, že v prípade tej istej DPS je množstvo voidov (bublín) v spojoch po zaspájkovaní v parách menšie ako pri zaspájkovaní konvekčnou reflow pecou. Pre ďalšie zníženie voidov sú na trhu dostupné high-end VPS zariqadenia so sekciou vákuovej komory, ktorá môže byť použitá v rámci procesu a to vo fáze keď je spájka vo fáze likvidu. V podstate sa substrát dopravným systémom zariadenia rýchlo presunie a uzavrie v komore, z ktorej je okamžite vákuovou vývevou odsatý vzduch, čím sú zo spájky "vytiahnuté" bubliny (voidy). Obrázky dolu ukazujú elimináciu voidov na tom istom komponente, zaspájkovanom pri tých istých podmienkach s použitím takejto vákuovej komory (obrázok vpravo) v porovnaní so štandardným spájkovaním v parách (obrázok vľavo).
ZHRNUTIE KĽÚČOVÝCH PREDNOSTÍ PROCESU VPS
- spájkovanie v O2 free prostredí (odpadá nutnosť použitia N2)
- garantovaná kontrola max. teploty v peci vďaka fyzikálnym vlastnostiam procesnej kvapaliny - typicky 230 ºC pre bezolovo a 200 ºC pre Sn/Pb proces.
- znížená potreba a náročnosť profilovania nakoľko nedochádza k rozdielom teploty na komponentoch s rôznou tepelnou kapacitou.
- lepší prenos tepla na DPS nakoľko sa na toto využíva kvapalina a nie vzduch alebo N2. Toto sa odráža aj vo významnom znížení spotreby elektrickej energie.
- flexibilná a jednoduchá kontrola ohrevu DPS pred dosiahnutím hodnôt pretavenia
- redukcia voidov v spájkovaných spojoch. Pre ďalšiu redukciu je možné použiť v systémoch vyššej triedy vákuovú sekciu.
- akékoľvek komplexné a náročné DPS môžu byť zaspájkované v modeloch obstarateľných za nižšiu cenu ako konvekčná reflow pec.
- zvyčajne menší počet defektov na DPS
UKÁŽKY SPOJOV ZASPÁJKOVANÝCH TECHNOLÓGIOU VPS
ZÁVER
Technológia spájkovania v parách je progresívnou technológiou, o ktorej budeme v budúcnosti pravdepodobne čoraz viac počuť. Jedným z dôvodov je snáď aj fakt, že konvekčné reflow pece v podstate dosiahli svoje technologické maximum. VPS systémy sú už v dnešnej dobe jednoznačnou alternatívou v prípade aplikácií, u ktorých je požadovaná najvyššia možná kvalita a spoľahlivosť spájkového spoja.
Spracoval: Ing. Peter Dúbravský
V článku boli použité materiály firmy Asscon Systemtechnik-Elektronik GmbH.
V prípade záujmu o informácie ohľadom dostupných zariadení pre spájkovanie v parách sa obráťte na firmu
Aktuálne vydanie
Partnerské periodiká
Copyright © 2008 TechPark, o.z. | Všetky práva vyhradené | Realizácia: Webmax