Экспертное руководство: устранение проблем с волновой пайкой на печатных платах

Быстрый переход: Что такое волновая пайка? | Дефекты волновой пайки и способы их устранения

Что такое волновая пайка?

Волновая пайка — это тип процесса пайки, используемый во время массового производства печатных плат (ПП). Процесс волновой пайки позволяет производителям быстро и надежно паять большие печатные платы. Процесс получает свое имя от волны припоя, через которую проходит каждая плата. Использование волны припоя, в отличие от отдельных точек пайки, производит паяные соединения, которые механически и электрически надежны.

Процесс волновой пайки эффективен как для традиционного проходного метода сборки печатных плат, так и для более нового метода поверхностного монтажа.

Так что в машине для волновой пайки, и как работает процесс?

В своем ядре, стандартная машина для волновой пайки начинается с одного компонента: нагретого бака припоя, который поддерживается на требуемой температуре для конкретного процесса пайки, который происходит. Внутри бака техник настраивает волну припоя, затем пропускает каждую печатную плату через бак, так что вершина волны припоя просто делает контакт с нижней частью печатной платы.

Проектировщикам нужно знать о двух основных проблемах, когда речь идет о проектировании печатных плат, которые будут волново-паяны.

• Расстояние между площадками: Если площадки, которые нужно припаять, слишком близко друг к другу, жидкий припой может течь между ними. Короткое замыкание не только двух соединенных площадок, но возможно всей печатной платы, является результатом.

• Паяльное сопротивление (Solder resist): Наличие слоя паяльного сопротивления на печатной плате не такая уж проблема, как это было в прошлом, так как слой паяльного сопротивления в черновике как стандартная практика. Все еще, двойная проверка того, что паяльная маска или слой паяльного сопротивления является частью черновика вашей печатной платы — всегда хорошая вещь, и помогает предотвратить несчастные случаи.

После того как плата, подлежащая пайке, была проверена на расстояние между площадками и слой паяльного сопротивления, пришло время нанести флюс. Флюс помогает убедиться, что области платы, которые нужно припаять, чистые и свободны от окисления. Существует два разных способа нанесения флюса, в зависимости от обстоятельств.

• Спрей-флюс, который может быть нанесен как тонкая пыль и сопровожден струей сжатого воздуха для удаления любого излишка.
• Пенный флюс, который наносится на плату из бака обычного флюса. Пластиковый цилиндр с крошечными отверстиями погружается в бак флюса. Как только цилиндр был хорошо и правда погружен, металлическая труба может быть надетна на вершину его. Воздух может затем быть принудительно проложен через цилиндр, чтобы получить пену, поднимающуюся через трубу. Нижняя часть печатной платы может затем быть покрыта этой пеной флюса.

После того как вы обработали нижнюю сторону платы флюсом, пришло время предварительно нагреть плату. Из-за способа, которым припой применяется как часть процесса волновой пайки, печатные платы, которые были волново-паяны, подвергаются огромным количествам тепла — намного больше, чем если бы они были вручную запаяны. Без предварительного нагрева печатные платы могут закончиться со всеми разными типами дефектов пайки — все из-за термического шока.

Чтобы помочь минимизировать шансы термического шока, платы, которые нуждаются в волновой пайке, должны медленно нагреваться до требуемой температуры.

Каковы некоторые дефекты, которые могут случиться с волново-паянными платами, если они не предварительно нагреты?

Дефекты волновой пайки и способы их устранения

Тот факт, что в процессе волновой пайки задействованы машины, не означает, что он менее склонен к ошибкам, чем пайка каждого стыка вручную. Будь вы используете бак припоя или ручной паяльник, вы должны относиться к пайке как к точной науке, тщательно контролируя, где и что вы паяете.

Иначе вы получите любой из нескольких дефектов пайки, как перечисленные ниже:

1. Недостаточное заполнение отверстий (Insufficient Hole Fill)

Недостаточное заполнение отверстий — это проблема, возникающая на печатных платах с просверленными отверстиями для компонентов, монтируемых на плату. По сути, недостаточное заполнение отверстий происходит, когда неадекватное количество припоя заполнило просверленные отверстия для компонентов, означая, что припой не прилипнет к печатной плате, когда она остынет. Существует несколько причин недостаточного заполнения отверстий:

• Флюс был нанесен некорректно и не проник сквозь плату, означая, что припой не был активирован и не мог правильно связать компоненты.

• Температура верхней стороны платы не достаточно высока, чтобы сделать припой расплавленным, так что он может подняться через отверстия.

• Не было достаточно платы в волне припоя. Если недостаточно платы делает контакт с волной, слишком мало припоя толкается вверх в проходные отверстия.

Лучший способ исправить эти проблемы — провести еще одну серию предварительных проверок пайки. Проверьте тип флюса, который вы используете, и убедитесь, что есть достаточный объем его, чтобы покрыть всю печатную плату. Этот шаг также поможет со второй проблемой: недостаточный предварительный нагрев.

Поскольку припой течет к теплу, припой не будет течь так хорошо, если проходные отверстия вашей печатной платы не на правильной температуре. Хотя «правильная» температура зависит от операционных стандартов вашей компании, общее правило — между 300 и 340 градусами Фаренгейта, или примерно 150-170 градусов Цельсия.

Вся сборка должна достичь этой температуры до того, как плата сделает контакт с волной. Если вы не уверены, достигают ли ваши проходные отверстия правильной температуры, сделайте профиль волнового процесса пайки — он должен выглядеть либо точно так же, либо очень похоже на профили рефлоу-процессов вашей платы.

Пока вы делаете профиль волнового процесса пайки, вы также можете проверить высоту вашей платы — то есть, сколько платы подвергается волне в любой момент времени. Старайтесь иметь как минимум половину толщины платы, идущей в волне припоя в любой момент времени, что позволит гидростатическому давлению волны толкать припой вверх в проходное отверстие.

2. Поднятые компоненты (Lifted Components)

Поднятые компоненты, также известные как могильники (tombstones), — это компоненты, которые возвысились от платы в процессе пайки. Существует несколько распространенных причин могильников, включая:

• Некорректные длины выводов, которые могут заставить компоненты подниматься от платы, когда они входят в ванну припоя.
• Попытка выполнить волновую пайку на гибкой печатной плате, которая согнется, пока остальные компоненты остаются плоскими, заставляя их подниматься от платы.
• Использование компонентов с разными требованиями к типу припоя и температуре.

Чтобы исправить некорректные длины выводов, посмотрите на то, какие выводы вы используете. Если ваши выводы слишком длинные, удар в ванну припоя может вытолкнуть их из проходного отверстия. Чтобы исправить это, вы можете увеличить время погружения в волну, что должно снизить термический спрос на выводы и позволить им осесть.

Чтобы скорректировать гибание печатной платы или другие гибко-связанные проблемы, дважды проверьте, какой тип печатной платы вы используете и каковы её термические допуски. Гибание платы часто встречается на больших разъемах и на больших IC-корпусах или сокетах. Печатные платы, которые гнутся с самого начала, такие как пластиковые, не должны волново-паяться, так как волна припоя может заставить пластик согнуться и поднять компоненты от платы.

Наконец, когда вы проверили термические допуски вашей платы, проверьте термические допуски всех ваших компонентов. Компоненты, имеющие разные температурные требования или температуры паяемости выводов, также могут подниматься при контакте с волной, так как некоторые компоненты паяются вниз, в то время как излишнее тепло толкает другие прочь. Убедитесь, что все компоненты, которые вы используете, имеют одинаковые требования, что должно помочь предотвратить такие проблемы.

3. Излишек припоя (Excessive Solder)

Излишек припоя — результат того, что ваша плата принимает накопление припоя при прохождении через бак волновой пайки. Хотя это все еще заканчивается созданием электрического соединения между платой и компонентом в вопросе, будет трудно для вас или кого-либо еще, кто смотрит на плату, сказать точно, что происходит внутри самого припоя.

Может быть несколько причин, по которым у вас может быть слишком много припоя на ваших соединениях:

• Наличие одних и тех же типов компонентов, обращенных в разные направления
• Использование некорректных длин выводов, когда речь идет о ваших процессах дизайна
• Запуск конвейерной ленты слишком быстро

Первая причина — достаточно легкое исправление. Убедитесь, что все ваши компоненты одного типа — например, все ваши батареи — обращены одинаково, когда они идут в волновой бак. Так, если один компонент обращен «прочь» от бака, когда он идет, все другие компоненты того типа должны быть обращены так же.

Исправление выступов выводов — которые вызваны некорректными длинами выводов в процессе дизайна — также может помочь предотвратить излишек припоя. Если вывод слишком длинный, припой может скапливаться против него и становиться излишним. Чтобы решить это, решите на длине вывода, которая не выходит слишком далеко за поверхности ваших площадок. Например, NASA использует длину вывода 2,29 мм — достаточно длинную, чтобы выступить за паде для пайки.

Если ваши компоненты все обращены одинаково и ваши длины припоя точны, вам может понадобиться замедлить вашу конвейерную ленту. Конвейерная лента, которая идет слишком быстро, может в итоге сваливать волну за волной припоя на компоненты вашей платы, пока они проходят через бак припоя. Самое легкое исправление для этой проблемы — поговорить с вашим менеджером проекта о допустимых скоростях конвейерной ленты.

4. Пайные шарики (Solder Balling)

Пайные шарики могут возникать, когда маленькие кусочки припоя переприкрепляют себя к печатной плате — специально близко к выводам — когда она проходит через процесс волновой пайки. Распространенные причины пайных шариков могут включать:

• Температура припоя в баке слишком высока.
• Припой падает обратно в волну, когда он отделяется от платы, что может вызвать брызги излишнего припоя обратно на плату.
• Газы, выделяемые нагретым флюсом, могут заставить жидкий припой плюнуться обратно на плату.

Лучший способ исправить общие проблемы с пайными шариками — в дизайне самой печатной платы. Когда приходит время выбрать паяльную маску, которую вы используете в дизайне вашей печатной платы, попытайтесь найти ту, которая имеет наименьший шанс позволить припою прилипнуть к ней в первую очередь. Выбирая лучшую паяльную маску для вашего дизайна, вы можете помочь сделать дизайн вашей платы более надежным.

Пайные шарики, вызванные газами от нагретого флюса, обычно происходят из излишнего обратного потока воздуха вокруг вашего бака волновой пайки, или падения азота, присутствующего в среде. Проверьте, сколько воздуха течет в бак припоя, так же как количество азота, присутствующего в среде вашего бака припоя. Держание тщательного глаза на обоих этих поможет облегчить проблемы с пайными шарами, вызванные отскоком от нагретого флюса.

Существует несколько причин, по которым припой может падать обратно в волну: будь то летучий материал все еще в флюсе, насколько высока волна припоя, и т.д. Лучший способ получить почву на корень проблемы — запустить вашу волну припоя с белой картой над вершиной волны, но без обработки каких-либо плат. Запустите тот же тест с парой тестовых плат, идущих через волну, и сравните результаты.

5. Пайные флажки (Solder Flags)

Пайные флажки — это маленькие выступы припоя, которые высунуты из концов ваших выводов. Даже если они все еще позволят вам сформировать правильное электрическое соединение с другими компонентами на плате, они указывают как на неправильное нанесение флюса, так и на проблемы с тем, как припой стекает с вашей платы.

Распространенные причины для пайных флажков включают:

• Медленный отток припоя от машины волновой пайки, оставляя излишнее количество припоя на выводе, которое будет «флажить» сбоку, пока оно стекает.

• Следы припоя, которые выглядят как усы — обычно результат неправильно нанесенного флюса.

• Неправильное хранение ваших паяных выводов, которое может вызвать окисление, к которому ваш припой не сможет легко прикрепиться.

Медленный отток обычно вызван плохим контролем между отделением волны припоя и платы. В большинстве случаев это потому, что обратный поток волны припоя не установлен правильно — убедитесь, что ваш установлен для «лямбда»-стиля волны. Если обратный поток вашей волны припоя установлен правильно, припой будет течь с той же скоростью и в том же направлении, что и плата, когда она отделяется от волны. Если вам нужно, вы можете запустить его слегка быстрее. Однако запуск его медленно, или совсем не, увеличит пайные флажки/острие.

Окисление может быть результатом неправильно срезанных или хранящихся выводов. Если ваши выводы не резаются в-house, проверьте с вашим поставщиком, как они режут их выводы. Голо-срезанные концы могут вызвать окисление ваших выводов, особенно если они хранятся долго. Если ваш цех режет выводы in-house, у вас больше контроля над тем, как они резаются и хранятся, так же как над тем, как долго они остаются в хранении. Все три этих фактора оставляют вывод открытым для окисления, делая его намного труднее смачиваемым припой, когда приходит время запустить его через волну.

Нужна помощь с дизайном печатной платы? Доверьтесь Millennium Circuits Limited

Если вы ищете помощь с дизайном для вашего следующего проекта печатной платы, не ищите дальше Millennium Circuits Limited. Пришлите нам ваши файлы печатной платы, и мы сделаем полную проверку дизайна для производства (DFM), чтобы поискать дефекты или проблемы, которые могут выскочить во время производства. Преимущества нашей услуги проверки файлов печатной платы включают:

• Легкие для чтения отчеты показывают дефекты и ошибки до фабрикации.
• Обеспечивает, что у вас есть данные и необходимые файлы для построения ваших плат.
• Помогает избежать задержек после того, как вы разместили заказ.
• Котировка цены печатной платы с отчетом.

Если вы готовы отправить ваши файлы для проверки, просто заполните нашу форму проверки файлов печатной платы. Не уверены, что делать дальше? Не стесняйтесь связаться с нами: наша команда поддержки будет рада обсудить любые вопросы, которые у вас могут быть.