Tehnologia de lipire la val (wave solder)

Tehnologia de lipire la val (wave solder)

1. Procesul de lipire la val

Lipirea la val este un proces de lipire pe scara larga (productivitate ridicata), care permite asamblarea prin lipire a componentelor electronice pe placile cu cablaj imprimat (Fig. 1.1.). Numele este dat de valul de aliaj de lipit in stare lichida (Fig 1.2) peste care este trecuta placa plantata in scopul lipirii terminalelor componentelor electronice la traseele metalice neprotejate, procesul de lipire fiind realizat pe partea inferioara a placii (bottom side).

Fig. 1.1. Procesul de lipire la val Fig 1.2. Directia de deplasare a placii

Procesul este dedicat lipirii componentelor electronice cu terminale (through-hole components/devices - THD) plantate pe partea superioar a placii cu terminalele trecute prin gauri in placa (through-hole printed circuit assemblies) si din acest motiv are denumirea prescurtata THT (through-hole techology). Tehnologia THT permite si lipirea componentelor asamblate prin lipire pe suprafata (smt - surface mount devices). In acest caz, componentele smt care urmeaza sa fie lipite pe partea inferioara a placii, pentru a fi mentinute in timpul procesului, in special la trecerea prin val, necesita in prealabil montarea lor pe partea inferioara a placii cu adeziv epoxidic. Desi se poate observa tendinta de inlocuire a componentelor cu terminale prin componete cu montare pe suprafata, ceea ce are drept consecinta eliminarea necesitatii de utilizare a procesului de lipire la val, aceasta tehnologie inca este larg utilizata pentru componente de putere sau alte componente pentru care este necesara pastrarea terminalelor.

Fig.1.3. Masina de lipit la val  Fig. 1. Linie de lipire la val cu plantare manuala

In general procesul de lipire la val presupune utilizarea unor masini specializate care au o structura principial comuna, conforma cerintelor impuse de necesitatea asigurarii parametrilor procesului de lipire. Prin introducerea unui sistem de transport al placii plantate intre zona de plantare a componentelor (manual si / sau automat), masina de lipit la val si zona de control a placii asamblate, se realizeaza o linie tehnologica de lipire la val (wave soldering line). Placile plantate pot fi vehiculate prin sistemul de transport cu benzi transportoare prin prindere directa cu agrafe sau indirecta prin utilizarea unor cadre specializate (Fig. 1.6; Fig. 1.2; Fig. 1.8.). In cazul prinderii directe placile vor fi prevazute bare de protectie la patrunderea in val (Fig. 1.5.).

  

Fig. 1.5. Protectie la intrare in val  Fig. 1.6. Placa plantata pe cadru

In unele cazuri la lipirea placilor plantate cu componente smd s-au obtinut rezultate calitativ superioare daca placile au fost introduse cu un unghi < 45s fata de perpendiculara pe val. In acest scop se utilizeaza un cadru multifunctional, care permite rotatia placii in plan orizontal (Fig. 1.9.).

  

Fig. 1.7. Cadru la val Fig. 1.8. Structura cadrului Fig. 1.9. Cadru multifunctional

Masinile de lipire la val au o structura seriala pe zone specializate pentru aplicarea fluxului, preancalzire, valul de lipire, racire si in unele cazuri pentru curatare, functie de tipul de flux utilizat. Masinile de lipire la val difera prin structuri particulare pe fiecare zona si prin solutia tehnica aleasa pentru asigurarea parametrilor procesului pe zonele specializate cu posibilitati de reglare a variabilelor corespunzatoare zonei. Astfel, pot diferii solutiile tehnice de aplicare a fluxului, numarul zonelor de preancalzire(ex: 3 TALOS, 9 SEHO) si solutia tehnica utilizata pentru incalzire, tipul de val, numarul zonelor de racire.

Fluxul este o substanta care faciliteaza lipirea prin curatarea chimica a suprafetelor metalice ce intervin in lipitura compusa din rasini si substante chimece dizolvate in solveti aromatici sau apa. Inert la temperatura camerei, devine activa la temperatura ridicata necesara lipirii, indepartand oxizii existenti, prevenind oxidarea intimpul procesului si imbunatatind adarea suprafetelor de catre aliajul de lipit in stare lichida. Aplicarea fluxului se face prin doua metode : pulverizare sau spumare. Pulverizarea se poate face prin utilizarea unei duze ce baleiaza zona de subplaca plantata sau prin utilizarea mai multor duze fixe cu alimentare comuna. In cazul spumarii, placa plantata va fi trecuta cu partea inferioara pritr-o cascada de spuma preluata printr-un horn metalic amplasat deasupra unui cilindru prevazut cu multe gauri fine, imersat in fluxul aflat intr-un vas specializat. Trecerea aerului comprimat prin cilindrul numit si "piatra" provoaca spumarea si obtinerea "cascadei" prin urcarea pe horn. Indiferent de metoda de aplicare este foarte important controlul precis al cantitatii de flux depusa pe partea inferioara a placii plantate. O cantitate redusa de flux va genera defecte de lipire, in timp ce prea mult flux afecteaza aspectul lipiturilor si fiabilitatea lor pe termen lung. In general se utilizeaza un jet de aer comprimat pentru indepartarea fluxului excedentar.

Preancalzirea este necesara pentru indepartarea solventilor din fluxul depus, activarea fluxului si prevenirea socului termic ca apare la trecerea prin val a placii plantate. Preancalzirea se face treptat cu o panta determinata de crestere a temperaturii. Preancalzirea de la valoarea temperaturii de camera se face prin convectie, utilizand jeturi de aer cald. Pentru preancalzirea premergatoare trecerii prin val si asigurarea temperaturii de preancalzire necesara in zonele dens populate cu componente sau cu masa termica mare, se utilizeaza incalzitoare cu radiatie infrarosie.

Pentru lipire placa plantata este trecuta sub un unghi determinat (Fig 1.2.) prin valul de aliaj in stare lichida, care va determina activarea fluxului si va depune aliaj pentru realizarea lipirii terminalelor componentelor. Sunt utilizate o varietate mare de configuratii pentru un val sau doua valuri, turbulente sau laminare. Doua valuri cu geometri diferite sunt utilizate pentru lipirea placilor care au componente smt pe partea inferioara si componente cu terminale pe partea superioara (Fig. 1.10; Fig. 1.11.).

   

Fig. 1.10. Val dublu turbulent/laminar Fig. 1.11. Val dublu, turbulent

1.1. Caracterizarea valului de lipire (geometria valului, consecinte, tehnologii)

Valul de lipire indeplineste functiile:

sursa si agent de transfer al caldurii in proces;

mijloc de transport al aliajului de lipit in stare topita.

Pentru realizarea unor lipituri corecte in diferite situatii determinate de tipul si dimensiunile componentelor, respectiv pozitia lor pe placa, se utilizeaza diferite tipuri de val caracterizate prin geometrie, dinamica si caracteristicile termice specifice. Caracterizarea include si mediul din proximitatea valului.

Fig. 1.1. Geometria valului de lipire

Valul de lipire se caracterizeaza prin (Fig. 1.1.):

latimea valului L;

inaltimea valului h;

lungimea de contact val/suprafata pcb, Lc;

suprafata de contact val/suprafata pcb, Sc.

In functie de viteza de deplasare a placii v (mm/s) si lungime de contact Lc (mm) se poate determina timpul de contact Tc (s) al unui punct situat pe suprafata placii cu valul. Deteminarea Tc permite evaluarea solicitarii termice a placii de cablaj imprimat si a componentelor si se caluleaza cu formula:

Tc = [0.06 Lc/V] (s) (

Forma valului de lipire este determinata de presiunea viteza si directia in care aliajul de lipit in stare topita este ejectat de catre duza, functie de geometria acestia. Acesti parametri determina carcteristicile de curgere ale valului de lipire si dicteaza conditiile de intrare si iesire ale placilor din val, respectiv unghiurile de intrare/iesire si viteza relativa de deplasare a placii in raport cu cea de curgerea aiajului topit.

Exista mai multe forme si configuratii ale valului de lipire care pot fi clasificate astfel:

- numarul de valuri: val simplu si val dublu;

- directia de curgere a valului: unidirectional si bidirectional;

- modul de curgere al valului: turbulent, vibrator, laminar si stationar;

- mediul exterior anvelopei valului: mixturi uleioase, uscat, barbotat cu aer sau gaz inert.

Cele mai utilizate tipuri de valuri sunt:

- Lambda: - val simplu, neted cu o curgere laminara, bidirectional, care permite o suprafata mare de contact (Fig.1.2.). Aliajul de lipire in sare topita 5 aflat in cuva 6 (solder pot) este pompat prin duze si directionat prin aipile anterioare si posterioare. Prin utilizarea unei aripi posteriare reglabile 4 este posibil controlul directiei si a debitului de aliaj topit. Se poate regla astfel intinderea si inclinarea zonei active de contact. Pe suprafata valului se pot identifica zonele de preancalzire a, activa b, de iesire c si de postincalzire d. Zona activa poate avea o lungime e contact de maximum 100mm si o inclinatie maxima a valului de 8°. Inclinatia practica optima fiind 4- 6°. Viteza relativa de curgere este maxima cand placa intra in contact cu valul si descreste cu inaintarea placii. Presiunea valului creste la inaintarea placii in val, favorizand umplerea prin capilaritate a gaurilor metalizate cu aliaj topit. Iesirea placii din val se face sub un unghi de separatie foarte mic si viteza de curgere redusa in scopul favorizarii drenajului. Din acest punct de vedere au o contributie zonele de iesire si postancalzire datorita incalzirii usoare asigurate prin radiatie si convectie.

Valul Lambda genereaza cantitati reduse de zgura, asigura o umplere corecta a gaurilror si este destinat utilizarii cu atmosfera ambianta - aer.

Fig.1.2. Geometia valului Lambda

1. Placa plantata; 2. Componente THT Top;

3. Componente SMD bottom, montate cu adeziv;

Aripa posterioara reglabila; 5. Aliaj de lipit in stare topita; 6. Cuva; a. zona de preancalzire; b. Zona activa; c. Zona de iesire; d. zona de post incalzire;

α. Unghiul de atac/lipire, unghiul de inclinare a valului.

- 'A' Wave: - val simplu, neted cu o curgere laminara, bidirectional, care asigura un timp redus de contact. A fost proiectat pentru utilizarea in atmosfera de azot, care permite obtinerea udarii in conditiile unei suprfete reduse de contact.

- Chip Wave: - val simplu, turbulent cu sprafata de contact redusa. Turbulenta este utilizata pentru spargerea meniscului determinat de tensiunea supericiala, in zonele umbrite determinate de plantarea apropiata a componentelor chip. Se previne astfel fenomenul de salt al valului peste zone ale componentelor chip (skips).

- Worthmann, sau Smartwave: - val dublu, combinatie intre lambda si chip care permite obtinerea de rezultate foarte bune la lipirea mixta THT - SMD prin cresterea timpului total de contact si eliminareafenomenelor de salt si punti. Acest tip de val, in diferite variante (Fig. 1.10 - 11) este cel mai utilizat in echipamentele moderne de lipire la val.

Exista numeroase variante de linii de lipire in val. Diferenta majora intre ele consta in forma valului. Liniile de lipire in val se clasifica dupa cateva criterii care caracterizeaza proprietatile valului, dar si mediul din proximitate:

Liniile de lipire cu dublu val sunt cele mai raspandite pentru ca sunt fiabile, ofera produse de calitate si sunt relativ usor de intretinut. Economic, principalul dezavantaj al liniilor de lipire in val este faptul ca rentabilitatea investitiei si consumabilelor se amortizeaza numai pentru serii mari de produse. Tehnic, lipirea in val este limitata de acuratetea de lucru ("pitch"). Astfel, componentele cu spatiere foarte mica intre terminale sunt dificil de procesat la val, deoarece apar frecvent defecte datorate puntilor de aliaj (scurtcircuite). Valul de tip Worthmann a dus la cresterea calitatii si a acuratetii de lucru.

Pentru cresterea calitatii lipiturilor se realizeaza procesul de lipire in atmosfera inerta, uzual prin utilizarea azotului. Utilizarea atmosferei controlate de azot permite reducerea numarului de defecte, a mentenantei si variabilitatii procesului. De asemenea imbunatateste umectarea terminalelor si umplerea gaurilor, permitand extinderea utilizarii procesului pentru componente mai mici.

2. Parametrii si variabilele procesului de lipire la val

Daca luam in considerare procesul intrinsec de lipire la val, parametrii procesului pot fi definiti in relatie cu zonele tehnologice descrise si sunt prezentati grafic in fig. 2.1:

- perioada de preincalzire (Preheating time ) trebuie sa asigure cresterea rapida a temperaturii placii la 45sC cu o panta de maxim 2 sC/sec. Placa trebuie sa ajunga la 85 sC inainte de lipire;

- perioada de umectare (Wetting time) este de la momentul primului contact intre partile ce vor fi lipite si valul de aliaj topit, pana la momentul inceperii solidificarii aliajului in lipituri;

durata contactului cu valul (Dwell time) de la primul contact intre partile ce vor fi lipite si valul de aliaj

topit, pana la ultimul contact valul de aliaj topit. Este necesar sa fie 2 - 4 secunde.

- perioada de lipire (Soldering time) de la primul contact cu valul si pana la inceperea solidificarii, egala cu Dwell time plus aproximativ 5 - 10 sec;

- perioada de solidificare (Solidification time), necesara solidificarii aliajului pe fata inferioara a placii;

- periada de racire (Cooling time) se refera la racirea fortata utilizata pentru racirea suprafetelor cu componenta ale placii. Se are in vedere evitarea aparitiei crapaturilor in lipituri din cauza unei raciri prea accentuata la iesirea din val.

Fig. 2.1. Parametri procesului de lipire la val

Corespunzator zonelor, parametri definiti pentru procesul de lipire la val sunt caracterizati prin variabile asupra carora putem actiona in scopul reglarii optime a procesului. Luam in considerare urmatoarele variabile specifice procesului de lipire la val:

unghi conveior (Conveyor angle). Fata de orizontala (Fig 1.2.).

viteza conveior (Conveyor speed)

tip flux (Flux type)

densitate fluxului (Flux density)

cantitatea de flux depozitata (Amount of flux deposited). Se urmareste daca acoperirea este uniforma si completa pe suprafata inferioara a placii.

inaltimea si stabilitatea duzei / duzelor de fluxare (Height and stability of flux head)

temperatura de preincalzire (Preheat temperature). Va fi controlata independent pe fiecare zona.

Compozitia aliajului de lipit (Solder alloy composition)

Puritate aliajului de lipit (Solder purity). Sunt necesare analize chimice periodice pentru aliajul de lipit din cuva si se urmareste completarea cu bare pentru asigurarea cantitatii si calitatii aliajului.

temperatura aliajului de lipit in cuva (Solder temperature)

forma/ geometria valului, stabilitatea si viteza de curgere (Solder wave form, stability and speed of flow). Se verifica starea duzelor si reglajele mecanice. Se controleaza din viteza pompei de aliaj topit.

temperatura valului (Solder wave temperature). 250-260 sC pentru aliajul SnPb.

Inaltimea valului (Solder wave height). Poate fi controlata prin viteza pompei de aliaj topit. Se regleaza intre ½ si 2/3 din grosimea placii plantate.

adancimea de imersare (Depth of immersion). Este in corelatie cu inaltimea valului si unghiul conveiorului in raport cu orizontala (Fig 1.).

atmosfera (Atmosphere) in care are loc procesul de lipire, care poate fi mediul natural sau inert (azot)

curatenie (Cleanliness). Se urmareste temperatura substantelor de curatire si controleaza prin analize chimice si electrice de conductivitate. In cazul utilizarii apei deionizate , temperatura trebuie sa fie 49 -50 sC.

3. Procesul de lipire selectiva la val

In situatia placilor realizate in tehnologie mixta val / retopire, componentele cu montare pe suprafata vor fi lipite prin retopire pe fata inferioara a placilor si ulterior se planteaza manual sau automat componentele cu montare a teminalelor prin gaura. Urmeaza faza finala de lipire la val a ansamblului.

In situatia utilizarii pentru asamblare pe fata inferioara sau pe ambele fete a placilor de componente cu montare pe suprafata la care terminalele sunt mascate de propria capsula de exemplu BGA si/sau QFN este obligatorie utilizarea tehnologiei de retopire pentru asamblare. Daca acest tip de placi necesita si asamblarea pe fata superioara a unor componente cu montare prin gaura, pentru a asigura productivitatea operatiunilor de asamblare este necesara lipirea la val a acestor componente. In acest scop se utilizeaza un cadru special care va avea posibilitatea de a masca componentele lipite anterior prin retopire si astfel de a le proteja la actiunea valului. Acest proces devine un proces de lipire selectiva la val. Lipirea selectiva se mai utilizeaza si pentru cresterea productivitatii la lipirea conectorilor, la val sau prin imersare.

a. b.

Fig. 3.1. Cadru pentru lipire selectiva: Fig. 3.2. Val selectiv

a. Fata superioara, b. Fata inferioara prin imersare manuala

Placile destinate pentru lipire selectiva necesita constrangeri suplimentare la proiectare.

Defecte specifice procesului de lipire la val

Alterarea variabilelor specifice procesului de lipire la val sau alegerea unor valori impropii la reglaj, determina urmatoarele tipuri principale de defecte:

1. Umplerea insuficienta a gaurilor (Insufficient hole fill -Fig.1)

Cauze: temperatura coborata a aliajului, aliaj contaminat, temperatua de preancalzire incorecta, densitate specifica redusa a fluxului, fluxare incompleta si/sau neuniforma, flux insuficient de activ, unghi mic la conveior, viteza mare pentru conveior.

a. b. c.

Fig. 1. Hole fill Fig. 2. a, b, c. Punti si varfuri

2. Punti si varfuri (Bridging / icicles-Fig.2)

Cauze: temperatura coborata a aliajului, aliaj contaminat, temperatua de preancalzire incorecta, densitate specifica redusa a fluxului, fluxare incompleta si/sau neuniforma, flux insuficient de activ, unghi mic la conveior, viteza mare pentru conveior, terminale lungi la componente, proiectare defectoasa.

3. Bile de aliaj (Solder ball-Fig3)

Cauze: temperatura ridicata a aliajului, temperatua de preancalzire incorecta, densitate specifica redusa a fluxului, fluxare in exces, viteza mare pentru conveior, material impropiu pentru protecta traseelor (Solder mask)

Acumulare neuniforma de aliaj la lipituri (Skips-Fig4)

Cauze: temperatura coborata a aliajului, aliaj contaminat, temperatua de preancalzire ridicata, densitate specifica mare a fluxului, fluxare neuniforma, viteza mare pentru conveior, terminale lungi la componente, proiectare defectoasa care nu a eliminat umbrirea componentelor, mascare defectuasa a gaurilor libere. Defectele determinate de umbrirea componentelor este redusa prin utilizarea valului dublu.

a. b.

Fig. 3. Bile de aliaj  Fig. Acumulare neuniforma de aliaj: a. La lipituri; b. Pe placa

5. Aspectul lipiturilor (Cosmetic Appearance-Fig5)

Cause: Exces de flux depus, temperatua de preancalzire coborata, timp de contact cu valul redus (Dwell time), proces de curatire ineficient, intarzierea excesiva a operatiei de curatare dupa lipire, material impropiu pentru protecta traseelor (Solder mask).

6. Migratia electrochimica (Electochemical migration-Fig6)

Cauze: reziduri ionice in structura placilor si/sau componentelor, reziduri higroscopice in structura placilor si/sau componentelor, proces de curatire interfazic ineficient la fabricarea placilor, utilizare improprie a fluxului no-clean, proces de curatire ineficient dupa lipire.

Fig. 5. Aspectul lipiturilor   Fig. 6. Migratia electrochimica

5. Modificari in procesul de lipire la val determinate de utilizarea aliajelor LEAD-FREE

Trecerea la utilizarea aliajelor de lipit lead-Free nu modifica parametrii generali ai procesului dar necesita alte valori optime pentru variabilele procesului si a determinat aparitia unor modificari importante in chimia fluxurilor. In principal, aliajele Lead-Free sunt foarte active chimic, necesita o temperatura de lipire mai ridicata si au o umectare slaba.

Activitatea chimica crescuta in conditia cresterii temperaturii de topire are ca o prima consecinta corodarea in timp scurt a cuvelor de inox. Solutile gasite sunt:

acoperirea cuvelor cu un material ceramic pe interior, care prezinta o rezistenta sporita la actiunea coroziva a aliajului, dar care are o rezistenta mecanica redusa. Au avqantajul pretului redus.

Utilizarea cuvelor de titan, rezistente dar scumpe.

Temperatura crescuta, tipic 220 - 260 sC, afecteaza placile cu cablaj imprimat si componentele electronice.

Modificari importante au fost necesare in chimia fluxurilor pentru cresterea activitatii in scopul compensarii caracteristicii de umectare redusa prezentata de aliajele alead-free.