Виды пайки печатных плат и процесс сборки

Когда я начинал работать в лаборатории, мне приходилось время от времени припаивать провода к металлизированным контактам. Тогда мы работали с полупроводниками, но те же материалы можно использовать и при пайке печатных плат, вопрос лишь в выборе правильного состава, подходящего для технологического процесса изготовления плат.

Производство печатных плат включает в себя несколько этапов — от изготовления пустой платы до сборки и упаковки. В процессе сборки для монтажа компонентов используются припои различных типов. Припои различаются по механическим характеристикам, требованиям к безопасности и утилизации, и это следует учитывать при планировании сборки. Переход к электронной технике без содержания свинца вытесняет свинцовые припои на задний план.

Я сейчас не буду углубляться в дискуссию о сравнении материалов на основе свинца и не содержащих свинец, поскольку массу информации по этому поводу можно найти в Интернете. Пока остановимся на различных видах пайки печатных плат, в частности, на различных материалах и процессах.

Материалы для пайки печатных плат

На рынке предлагается множество различных видов припоя, поэтому начинающему конструктору выбор лучшего типа припоя может показаться сложной задачей. Припои используются для создания электрических соединений между металлическими контактами за счет формирования расплавленным припоем (представляющим собой мягкий сплав) эвтектики, которая спаивается при остывании. Состав металлов, используемых для пайки печатной платы, определяет ее механическую прочность после затвердевания, температуру плавления и выделение паров во время пайки. Материалы для пайки печатных плат различают по материалу сердечника, металлическим компонентам и типам паяльного флюса.

Состав металлов

Припои на основе свинца относятся к мягким припоям, и именно они дали импульс развитию электронной промышленности. Температура их плавления составляет около 180-190 °C, а срок хранения — около 2 лет. Наиболее широко применяются следующие сплавы на основе свинца:

• 60/40 Sn/Pb
• 63/37 Sn/Pb
• 62/36/2 Sn/Pb/Ag

Существуют также припои с соотношениями Sn/Pb 50/50, 30/70 и 10/90. В качестве основного металла главным образом используется олово, поскольку оно снижает температуру плавления сплава, а свинец препятствует образованию оловянных усиков. Чем выше содержание олова, тем выше прочность паяного соединения на скол и растяжение. Компонент серебра в сплаве 62/36/2 Sn/Pb/Ag обеспечивает более низкое сопротивление контакта и устойчивость к коррозии. Обратите внимание, что существуют и другие типы припоя (индий, цинковый сплав и т. д.). Однако для печатных плат они не используются, поскольку они несовместимы с процессом производства плат.

Припои, не содержащие свинца, приобретают все большую популярность с тех пор, как в ЕС была принята директива об ограничении использования опасных веществ (RoHS), которая ограничивает применение свинца в электронике. Одна из проблем при использовании таких припоев заключается в том, что они в большей степени подвержены образованию оловянных усиков. Чтобы не допустить образования оловянных усиков, а также обеспечить защиту от влажности и коррозии, часто используются конформные покрытия.

Припой с флюсовым сердечником продается в виде единой катушки и содержит в сердечнике восстановитель. Этот восстановитель (о котором я расскажу ниже) удаляет с металлических контактов любые оксидные пленки, чтобы обеспечить высокую проводимость электрического контакта. Если вы паяете вручную, то следует обратить внимание на материал, содержащийся в сердечнике.

Материал сердечника припоя

В катушках припоя или паяльных пастах содержится один из перечисленных ниже типов материалов для нанесения флюса на металлические контакты при пайке:

• Органические кислоты. Флюс на кислотной основе обеспечивает агрессивное удаление окислов с металлических контактов в процессе пайки. Этот флюс растворим в воде и требует удаления остатков после пайки для предотвращения коррозии.
• Канифоль. Канифоль   это смола хвойных деревьев в твердой форме. Остатки канифоли не вызывают коррозии, поэтому ее используют в тех случаях, когда трудно удалять остатки флюса на основе органической кислоты.
• Припои с твердым сердечником. Некоторые припои имеют твердый сердечник и не содержат флюса, поэтому флюс приходится наносить вручную. Припой такого типа удобно использовать для ручной пайки при наличии под рукой флюса.

Процессы пайки печатных плат

Сегодня при производстве печатных плат наиболее часто используется бессвинцовый (Sn-Cu) канифольный припой. Если только ваш специалист по сборке не работает с единичным образцом или вы не собираете свою собственную плату, пайка плат не будет производиться вручную. Вместо этого будет применяться автоматизированный процесс:

• Волновая пайка. Используется для компонентов сквозного монтажа
• Пайка оплавлением. Используется для компонентов поверхностного монтажа в печи оплавления
• Селективная пайка. Используется в тех случаях, когда компонент сквозного монтажа может быть поврежден при сильном нагреве или не может быть использован в процессах волновой пайки и оплавления

Сначала флюс/паста наносится на металлические контакты на плате, чтобы снизить степень окисления и распределить поток расплавленного припоя, что позволяет повысить прочность готового паяного соединения на печатной плате. Большинство конструкторов, вероятно, полагают, что для деталей с бессвинцовыми выводами следует использовать бессвинцовую паяльную пасту, однако строгих правил на этот счет нет. По мнению группы экспертов по пайке, эти материалы нередко смешивают, но при этом следует учитывать, что механические свойства конечного сплава могут оказаться где-то между свойствами сплавов на основе свинца и без него.

Если вам необходимо подготовить производственную документацию для вашей платы, включая все необходимые этапы сборки, в соответствии с нормативными требованиями, воспользуйтесь полным набором функций проектирования и производства печатных плат в Altium Designer®. Сформировав файлы Gerber и другие файлы для изготовления, можно быстро создать сборочные чертежи и добавить аннотации для уточнения требований к сборке. С легкостью можно указать различные типы материалов для пайки печатных плат, которые могут потребоваться при создании следующей сборки.

Когда проектирование будет завершено, а данные готовы для передачи на производство, платформа Altium 365™ поможет наладить совместную работу и доступ к проектам. Мы лишь поверхностно рассмотрели некоторые возможности Altium Designer на Altium 365. Вы можете зайти на страницу продукта, чтобы посмотреть более подробное описание функций, или посетить один из Вебинаров по запросу.