Регистрация Вспомнить пароль
Задать вопрос специалисту
CAPTCHA

Технология Pin-in-Paste

18 Июня 2009

Текущий экономический кризис стал серьезным испытанием для российской промышленности. Чтобы выжить и остаться конкурентоспособными, отечественным производителям радиоэлектронных изделий необходимо в сжатые сроки снизить себестоимость выпускаемой продукции, удовлетворяя при этом непрерывно растущие требования к качеству и надежности изделий. Решение этих жизненно важных задач требует инвестиций в оборудование, перевооружения производства. Получение средств на развитие сейчас затруднено, а инвестиции выглядят рискованными. Существующая ситуация загоняет российского производителя радиоэлектроники в круг определенных проблем.

Выход из круга кризисных проблем один – максимально эффективное использование имеющихся ресурсов, оборудования, раскрытие потенциала сотрудников, внедрение новых технологий (рис. 1). 

Рис. 1 Круг проблем отечественных производств и пути их решения
Рис. 2 Плотный смешанный монтаж SMD- и THT-компонентов

Примером технологии, позволяющей снизить себестоимость продукции, повысив при этом ее качество, является технология Pin–in–Paste (PIP) или технология интрузивной пайки. Очень важно, что для своей реализации PIP не требует больших капиталовложений. Большая часть выпускаемых в России радиоэлектронных изделий содержит наряду с поверхностно-монтируемыми компонентами (SMD) компоненты, монтируемые в отверстия (THT) (рис. 2). 

Применение THT компонентов увеличивает число технологических процессов при монтаже печатного узла, усложняет процесс сборки, контроль качества, ухудшает технологичность изделия. Тем не менее, применение ряда компонентов целесообразно в THT исполнении. Это вызвано определенным рядом: требованиями надежности, дороговизной компонентов в SMD исполнении, реализацией высоковольтных схем и силовой электроники, отсутствием некоторых компонентов в SMD исполнении.

Таблица 1 Сравнение различных технологий выводного монтажа

Технология монтажа ТНТ компонентов

Производительность

Качество монтажа

Инвестиции в оборудование

Себестоимость точки пайки

Ручная пайка

0

0 – 2*

2**

0

Пайка волной

2

0 – 1

1

1

Селективная пайка

1

2

1

2

PIP

2

1 – 2***

2

2

Обозначения: 0 – неудовлетворительное значение параметра, 1 –удовлетворительное, 2 – отличное

 * - нестабильно, зависит от человеческого фактора;

 ** - без учета стоимости систем контроля;

 *** - зависит от изделия, проработки технологии.

Суть технологии PIP состоит в том, что пайка THT компонентов осуществляется в печи оплавления одновременно с пайкой SMD-компонентов. Для этого сначала в область монтажных отверстий THT компонентов наносится необходимое количество паяльной пасты, далее в отверстия устанавливаются сами компоненты, и затем происходит пайка оплавлением. Такой технологический процесс позволяет уменьшить себестоимость производства радиоэлектронных изделий, повысить качество монтажа и производительность, максимально эффективно использовать плюсы автоматического оборудования для поверхностного монтажа: воспроизводимость результатов технологических операций, минимальный расход материалов, уменьшение требований к квалификации персонала (таблица 1).

Существуют различные варианты реализации PIP-технологии, различающиеся способами нанесения припоя для THT компонентов (рис. 3).

Рис. 3 Варианты реализации PIP технологии: A - ракель, B – дозатор, C – Proflow, D – ракель + преформы

Идея технологии интрузивной пайки ТНТ компонентов в варианте A была предложена несколько лет назад, но популярности так и не приобрела. Чтобы понять причины этого, а также перспективы новых вариантов технологии B-D, рассмотрим технологический процесс PIP более детально.

Объем припоя, необходимый для полного заполнения монтажных отверстий THT компонентов многократно превосходит объем припоя, необходимый для пайки SMD-компонентов. Поэтому ключевым процессом PIP-технологии является операция нанесения паяльной пасты.

В первоначальном варианте А технологии PIP при трафаретной печати паста наносилась ракелем и на контактные площадки SMD-компонентов, и через увеличенные апертуры в крепежные отверстия THT компонента (рис. 4 а, б).

При использовании металлического трафарета получался либо избыток пасты на контактных площадках SMD-компонентов, особенно с мелким шагом, либо недостаток пасты в отверстиях для ТНТ компонентов (рис. 5).

Рис. 4 Нанесение паяльной пасты в PIP технологии. Вариант А: а, б – нанесение пасты ракелем, в – установка THT-компонента, г - выдавливание пасты из отверстия
Рис. 5 Типичная проблема PIP-технологии в варианте А – недостаточный объем припоя в штырьковом соединении

Применение ступенчатых трафаретов с участками различной толщины (рис. 6) облегчало реализацию PIP-технологии в варианте А, но увеличивало себестоимость монтажа, ухудшало технологичность процесса.

Рис. 6 Нанесение паяльной пасты для PIP-технологии в варианте А через ступенчатый трафарет

Кроме того, даже при удачном нанесении необходимого количества пасты в отверстие в варианте А возникали проблемы при установке компонентов (рис. 4 в, г) и последующем оплавлении. Выдавленная из отверстия паста в процессе предварительного нагрева просто стекала по выводу внутрь печи оплавления. Чтобы избежать стекания пасты приходилось проводить тщательную отладку температурного профиля печи оплавления, подбор пасты с необходимыми реологическими характеристиками и т. д.

Именно сложность отладки технологического процесса не позволила интрузивной пайке в варианте А найти признание у производителей.

Закономерным следующим шагом по облегчению реализации технологии PIP стало использование систем дозирования паяльной пасты (рис. 3 В). То есть обеспечение необходимого объема припоя для полного заполнения монтажных отверстий THT компонентов наносимой паяльной пастой происходит за счет дозирования дополнительных точек пасты. 

Дозирование пасты должно происходить непосредственно после процесса трафаретной печати. Таким образом, исчезает необходимость использования ступенчатых трафаретов, а если дозатор непосредственно встраивается внутрь автомата трафаретной печати, то исключается влияние человеческого фактора (рис. 7). Появление революционной системы нанесения паяльной пасты Proflow позволило сделать следующий шаг в облегчении реализации технологии PIP и создать вариант С (рис. 3, С). В системе Proflow паяльная паста продавливается поршнем в апертуры трафарета (рис. 8.) 

Рис. 7 Дозатор Stinger, встроенный в автомат трафаретной печати, производства DEK
Рис. 8 Система нанесения паяльной пасты Proflow

Такой метод нанесения пасты позволяет осуществлять независимый контроль скорости трафаретной печати и давления для продавливания пасты через трафарет. При нанесении пасты ракелями скорость печати и давления ракеля оказываются взаимосвязанными величинами, затрудняя отладку процесса печати. Кроме разработки системы Proflow специалисты ДЕК провели технологические исследования и предложили рекомендации по нанесению пасты для технологии PIP (рис. 9). 

Рис. 9 Рекомендации по нанесению пасты: разделение апертуры трафарета перемычкой и вид отпечатка пасты

Как правило, нанесение паяльной пасты при помощи Proflow позволяет повысить степень заполнения монтажных отверстий ТНТ компонентов не менее чем на 30% по сравнению с нанесением пасты ракелем. При соблюдении рекомендаций система Proflow дает возможность получить хорошее заполнение отверстий даже в толстых многослойных платах (рис. 10)

Рис. 10 Выводной монтаж по PIP-технологии с Proflow, диаметр отверстия 0,94 мм, толщина платы 3,18 мм

Закономерным шагом в развитии технологии интрузивной пайки стало появление варианта PIP с преформами припоя (рис. 3, D).

Если мы боремся за обеспечение достаточного объема припоя,зачем нам наносить пасту, на 50% объема состоящую из флюса? Если в автоматической линии поверхностного монтажа стоит не только автомат трафаретной печати, но и высокопроизводительный прецизионный автомат установки компонентов, почему не задействовать в PIP-технологии и его? Эти достаточно простые рассуждения развили технологию, когда паяльная паста наносится автоматом трафаретной печати через металлический трафарет обычным ракелем, согласно описанным выше рекомендациям, а затем автомат установки SMD-компонентов устанавливает преформы припоя на пасту (рис. 11). 

Рис. 11 Выводной монтаж по PIP-технологии с преформами. А – нанесение пасты ракелем через металлический трафарет, Б – установка преформ припоя, В – объема припоя достаточно для 100% заполнения отверстия и формирования галтелей с обеих сторон соединения

При таком подходе не предъявляется особых требований к трафарету или процессу трафаретной печати, а необходимый объем припоя обеспечивается выбором преформ соответствующего размера. Для того чтобы установка преформ припоя происходила автоматически, преформы припоя формуются под размеры чипов 0402, 0603, 0805 и упаковываются в стандартную ленту 8 мм (рис. 12). 

Рис. 12 Пластиковая черная лента шириной 8 мм с преформами размером 0603 производства Indium. Для сравнения, снизу – бумажная лента 8 мм с чипами 01005

Реагируя на распространение технологии интрузивной пайки, производители THT компонентов предлагают все больше компо- нентов, адаптированных для PIP (рис. 13).

Рис. 13 Примеры выводных компонентов, изготовленных с учетом требований PIP- технологии. Наличие плоских площадок сверху позволяет брать компонент вакуумным захватом. Прокладки, буртики обеспечивают необходимый зазор между корпусом компонента и поверхностью печатной платы

Необходимым требованием для успешной реализации любого из вариантов технологии PIP является наличие первоклассной печи оплавления. Как правило, теплоемкость THT компонентов многократно больше, чем теплоемкость SMD-компонентов. Из-за этого требования к реализации температурного профиля печи ужесточаются, а технологическое окно процесса пайки оплавлением сужается. Кроме того, установка высоких выводных компонентов на плату (рис. 2) может приводить к появлению теневых эффектов, препятствующих качественной пайке печатного узла (рис. 14).

Рис. 14 Нарушения ламинарности конвекционных потоков в печи приводят к возникновению зон А низкого давления и большому разбросу температур компонентов

Для качественного одновременного оплавления припоя SMD и ТНТ компонентов требуется печь с высокой эффективностью теплопереноса, производительной системой конвекции и конструкцией, минимизирующей появление теневых эффектов. Каждый вариант технологии интрузивной пайки имеет свои особенности, плюсы и минусы (таблица 2). В зависимости от конкретных особенностей производства, конструкции выпускаемых изделий, имеющегося оборудования тот или иной вариант может оказаться предпочтительнее.

В основу технологии PIP была заложена идея максимально эффективного использования всех преимуществ технологии и оборудования поверхностного монтажа. Эффективность использования имеющихся ресурсов определяет успешность производителя в текущей кризисной ситуации. И внедрение технологии PIP – один из способов, позволяющих максимально эффективно использовать свои возможности для выхода из круга проблем.

Варианты PIP технологии

Инвестиции на внедрение

Сложность отладки

Себестоимость точки пайки относительно других вариантов PIP

А, ракель

2

0

0

В, Stinger

1

1

1

C, Proflow

0

2

2

D, преформы

2

2

2

Автор, должность:
Александр Завалко, главный специалист отдела проектов ЦКП НПРА
Отдел:
НПРА
Email:
materials@ostec-group.ru
Издание:
Информационный бюллетень «Поверхностный монтаж», июнь 2009, №4