Tehnologia de Lipire a Placilor Electronice cu Val de Cositor

CAPITOLUL 1

PROCESUL DE PRODUCȚIE AL PLĂCILOR ELECTRONICE

1.1. Definirea procesului de producție

În procesul de producție al unui produs sunt cuprinse anumite faze prin care trebuie să treacă un produs, cu scopul îndeplinirii anumitor funcționalități ce trebuie să fie în concordanță cu cerințele clienților, și care, de asemenea, trebuie să respecte anumite legislații specifice țării în care este folosit. Întreprinderile industriale au ca și activitate principală obținerea produselor și bunurilor materiale rezultate în urma desfășurării procesului de producție.

Obținerea bunurilor materiale presupune dotarea întreprinderii cu ansamblul de materii prime și materiale, denumite și obiecte ale muncii, preluate din natură sau care reprezintă rezultatul altor activități. Prin procesul de prelucrare al acestora, prin mijloace de muncă acționate sau supravegheate de către om, se vor obține bunurile economice ce sunt destinate satisfacerii nevoilor de consum ale societății.

În activitatea de producție este cuprinsă fabricarea propriu-zisă a bunurilor materiale industriale, activitate ce se realizează cu ajutorul procesului de producție industrial și cu ajutorul lucrărilor de cercetare și asimilare în fabricație a noilor produse, acestea fiind legate direct de activitatea de fabricarea propiu-zisă. Desfășurarea procesului de producție este condiționată, totuși, de câțiva factori. Printre acești factori se enumeră umătorii :

– forța de muncă;

– obiectele muncii, adică resursele naturale;

– mijloacele de muncă, adică capitalul;

– procesele tehnologice.

Prin prisma unui raport tehnico-material, prin proces de producție înțelegem totalitatea proceselor tehnologice, a proceselor de muncă și a proceselor naturale. Această totalitate concură la dobândirea produselor sau la executarea lucrărilor și serviciilor, fapt ce reprezintă obiectul de activitate al acestor întreprinderi. Realizarea activității de producție se face prin intermediul procesului de producție, a cărui desfășurare este condiționată de diverși factori.

Procesul de producție într-o firmă de fabricare a plăcilor electronice (PCB sau Printed Board Circuit) exprimă totalitatea acțiunilor, cunoștințe ale oamenilor (know-how) care acționează cu ajutorul mijloacelor de muncă (mașini SMD, mașini de lipire cu val,etc.) asupra obiectelor muncii, conform unui anumit flux tehnologic prestabilit, efectuat în vederea transformării lor în bunuri materiale menite consumului individual sau consumului productiv, dar și a proceselor naturale care au ca scop metamorfozarea obiectelor muncii.

Procesul tehnologic cuprinde ansamblul tuturor operațiilor tehnologice prin care este realizat un produs sau repere componente ale acestuia. Procesul tehnologic acționează atât la nivel de forma, cât și la nivel de structura și compoziție chimică a materiilor prime ce sunt prelucrate. Procesul de muncă este procesul prin care factorul uman acționează asupra obiectelor muncii.

1.2.Fazele prin care trece o placă electronică pentru a ajunge produs finit

Departamentul SMD

În momentul în care plăcile au ajuns în acest departament are loc etichetarea acestora de către mașinile de etichetare automate. Etichetele acestea oferă informații despre placă, precum: data la care s-au primit PCB-urile în magazie, lotul din care ele fac parte, data în care au fost puse în kiturile de producție, linia pe care urmează să fie asamblate, operatorii care au realizat verificarea lotului. Aceste informații sunt introduse, prin scanare, de către un operator, cu ajutorul unui cititor de cod de bare la fiecare etapă în care se află PCB-ul și prin înregistrarea acestora într-o bază de date. Uneori, unele plăci sunt ținute la cuptor, la uscat, 2 ore înainte de a fi trimise în producție, fiindcă sunt umede din fabricație, fapt care cauzează probleme la lipituri (provoacă insuficiență). Tot aici se mai pun și componentele pe feedere, iar procesoarele se pun în tăvițe speciale pentru a posibilitatea absorbirii acesora de către brațele roboților ce aparțin mașinilor de montare ale componentelor SMD, pentru posibilitatea printării PCB-urilor cu pastă de lipire fără PB (plumb), pentru montarea componentelor de către mașina de plantare automată pe PCB.

Reflow-ul reprezintă trecerea plăcilor printr-un cuptor care are mai multe zone de temperatură și cu un profil definit de inginerii de proces, în vederea solidificării pastei de lipit. Verificare componentelor pe partea de top cu mașina AOI – Automatical Optical Inspection(sunt detectate componentele deplasate, componentele nelipite, scurt-urile, componentele lipsă, insuficiență, polaritate). Pe partea superioară, adică bottom side, plăcile sunt printate cu lipici, iar peste acest lipici sunt montate componentele cu ajutorul mașinilor SMD pe placa prototip. Ulterior, placa este trecută prin cuptor, cu un anumit profil de temperatură dedicat pentru lipici (un profil un pic mai rece ca să nu se desprindă componentele SMD montate pe partea de top a plăci prototip).

B) Departamentul de pregătire a componentelor

În acest stadiu are loc pregătirea componentelor THT, tăierea pinilor cu ajutorul mașinii de tăiat, modelarea componentelor cu ajutorul mașinii automate de modelat și plasarea acestora în cutii, etichetarea cu numele componentei și cu codurile de bare pentru identificarea ușoară a acestora, de către operatorul ce se ocupă cu implantarea manuală a componentelor pe partea de top. Plăcile care au fost verificate și pe care componentele au fost montate sunt puse mai apoi în rack-uri speciale, acestea fiind așezare într-o zonă marcată pentru montarea componentelor.

C) Faza montării componentelor THT

În această fază sunt montate radiatoarele pe placă cu șuruburi. Sunt fixate componentele cu șuruburi pe radiatoare, iar șuruburile cu care sunt fixate radiatoarele vor fi acoperite cu smac pe partea de bot pentru evitarea prinderii cositorului de caperele șuruburilor. Componentele THT se pun în găurile corespunzătoare de pe placă conform documentației tehnice.

Plăcile sunt verificate ulterior de operatorii responsabili cu calitatea, pentru a ne asigura că fiecare componentă este montată la locul ei, iar dacă s-au comis greșeli de către operatorii de la montarea componentelor, aceștia sunt informați de către responsabili de la calitate pentru ca aceste greșeli să nu mai fie repetate.

D) Faza lipirii cu mașina cu val de cositor

Placa se așază în ramă și apoi pe lanțul conveiorului. Cu ajutorul conveiorului placa trece prin mașină peste cele două valuri. Astfel are loc lipirea acesteia. Placa iese din mașina cu toate lipiturile efectuate.

E) Verificarea vizuală a plăcilor de către operatori

Sunt verificate lipiturile atât la componentele SMD cât și la componentele THT. Se verifică și dacă cositorul a urcat suficient în găuri. Operatorii verifică dacă componentele stau lipite de placa electronică și să nu depășească o anumită înălțime. De asemenea, este verificată și montarea componentelor, și anume dacă sunt în conformitate cu documentația tehnică. Se mai verifică și valorile componentelor, etc.

F) Faza testării – ICT (testare în circuit de testare)

Aici se verifică pe standuri de test și se urmărește dacă placa îndeplinește criteriile și cerințele impuse de client, din punct de vedere al funcționalității, se verifică dacă traseele de pe placă nu prezintă întreruperi, etc. De asemenea, în unele proiecte plăcile sunt testate și funcțional, iar placa este montată pe anumite echipamente reale și este verificată din punct de vedere al comportamentului ei funcțional.

G) Faza lăcuirii plăcii

Înainte de faza de lăcuire trebuie verificat aspectul îndeplinirii tuturor cerințelor clientului și dacă placa este potrivită cu documentația. În vederea pregătirii plăcilor înainte de lăcuire, se suflă cu aer comprimat și este curățată de celelalte impurități. Lăcuirea este efectuată în mod automat cu mașina de lăcuit, ulterior placa este pusă la uscat în cuptor.

H) Faza controlului calității

După ce lăcuirea are loc, plăcile sunt verificate de către inginerii de calitate cu ajutorul neoanelor cu raze ultraviolete pentru observarea corespunderii lacului cu normele de calitate. Sunt verificate aleator unele dintre plăci dacă au componentele montate conform documentației și dacă unele dintre cerințele speciale ale clientului sunt îndeplinite. Dacă totul este în regulă, plăcile sunt plasate în cutii speciale ESD. Plăcile sunt așezate pe paleți, iar mai apoi sunt depozitate în magazie pentru următorul stadiu prin trimiterea acestora către clienți.

1.3. Fluxul procesului de producție al plăcilor electronice

Pentru a ajunge în starea de produs finit plăcile electronice trebuie să treacă prin anumite faze ale procesului de producție, conform reprezentării diagramei bloc de producție al plăcilor electronice. Acest lucru este reprezentat și în figura 1.

Figura 1.1.Diagrama bloc a fluxului procesului de producție

CAPITOLUL 2

TEHNOLOGIA DE LIPIRE A PLĂCILOR ELECTRONICE

CU VAL DE COSITOR

2.1.Procesul de lipire cu val de cositor

Lipirea cu val de cositor reprezintă un proces în care productivitatea este ridicată. El se desfășoară pe scară largă și oferă posibilitatea asamblării prin lipire a componentelor electronice pe plăcile cu cablajul imprimat. Această „metodă” a fost concepută pentru prima dată în 1956. În acest timp tehnologia plăcilor cu circuite imprimate era reintrodusă de către USA în Europa, loc în care își avea, de fapt, originea încă din 1941, numai că din cauza războiului continuitatea nu a mai avut loc, astfel renunțându-se la această tehnologie. Tehnologia SMD (Sourface mounted devices) nu apăruse încă, și toate componentele erau trecute prin placă fără ca acestea să fie obstrucționate, lipirea acestora fiind realizată manual pe partea inferioară a plăcii, punct cu punct.

Automatizarea acestora era un lucru destul de dificil și de scump de realizat. Tehnologia aceasta a pornit de la idea de a pompa cositor topit printr-o duză așezându-l pe acesta sub o placă care trebuia lipită astfel dându-se naștere tehnologiei de lipire cu val de cositor. Metoda s-a dovedit a fi cea mai simplă metodă pentru lipirea tuturor punctelor de pe placa electronică printr-o singură operație. Metoda fiind și soluția cea mai economică pentru lipirea în cantități mari a plăcilor cu circuite imprimate. Având toate punctele dispuse în plan și pe o suprafață dreaptă aliajul sau cositorul topit poate ușor să umple fiecare punct de pe placa electronică.

Introducerea solder-maskului, mai târziu, a făcut ca lipiturile să fie mai curate și inspecția vizuală mult mai ușoară. Solder-mask’ul este un strat subțire de lac, precum lacul de polimer, care este utilizat pentru prevenirea oxidării și formării puntilor dintre două pad-uri apropiate. Prin anii șaizeci, datorită introducerii componentelor SMD care începuseră sa fie folosite împreună cu cele THT (trough hole technology), au devenit cunoscute plăcile de circuit imprimat din material epoxidic. Acestea au început să se dezvolte și să fie utilizate atât în tehnologia SMD cât și THT pe aceeași placă electronică, fiind lipite cu ajutorul mașinilor de lipire cu val.

Un exemplu al unei mașini de lipire cu val, utilizată și în cadrul companiei este prezentată în figura 2.1 și figura 2.2.

Figura 2.1. Mașină cu tehnologie de lipire cu val – vedere din față

Figura 2.2.Mașină cu tehnologie de lipire cu val – vedere din interior

Această mașină este un sistem de lipire cu val proiectată într-un mod meticulos și avansat pentru producția la scară largă și cu volum mare. Mașina utilizată în cadrul companiei este de tip ELECTRA care oferă o flexibilitate mare procesului și rezultate de clasă mondială procesului de lipire.

Denumirea de lipire cu val provine din procesul în sine efectuat, mai exact de la valul de cositor, ce se află în stare lichidă, peste care, cu ajutorul unui conveior, trece plăcuța electronică în scopul lipirii terminalelor componentelor electronice, proces realizat la nivelul inferior al plăcuței, adică pe bottom side. Tehnologia de lipire a plăcilor electronice cu val de cositor este un procedeu tehnologic convențional, am putea spune, dar care și-a menținut până în prezent un rol important în procesul de producție al electronicii.

Procedeul tehnologic de lipire presupune unirea, prin topirea la cald, a două sau mai multe metale în care se folosește un metal de adaos, denumit și ca aliaj de lipit, diferit de metalele de bază. Căldura aplicată determină topirea și tragerea metalelor în comun prin capilaritate și leagă materialele ce urmează să fie unite prin acțiunea umectării, iar după racire cositorirea rezultată oferă puterea mecanică și conductivitatea electrică adecvată.

Procesul este dedicat acțiunii de cositorire a componentelor electronice cu terminale (through hole components/devices – THD) plantate pe partea superioară a plăcii a căror terminale trec prin găuri prin placă (throughhole printed circuit assemblies), iar din acest motiv are denumirea prescurtată THT (through hole techology).

Această tehnologie, denumită acum THT, permite și lipirea componentelor asamblate prin lipire pe suprafață (SMD – surface mount devices). În acest caz, componentele SMD ce urmează să fie lipite pe partea inferioară a plăcii electronice, pentru a fi menținute în timpul procesului, în mod special la trecerea prin val, necesită în prealabil menținerea lor pe partea inferioară a plăcii cu adeziv epoxidic. Această tehnologie este încă larg utilizată datorită componentelor de putere sau a altor componente pentru care este necesara păstrarea terminalelor.

Contactarea prin lipire realizeaza funcții precum :

– funcția electrică; Astfel, la conectarea dispozitivelor și componentelor electronice în structura cablajului imprimat conform unei scheme electrice predefinite este asigurată continuitatea electrică a circuitelor electronice;

– funcția mecanică, prin asigurarea rezistenței și integrității mecanice a ansamblului printed board circuit, adică la montarea dispozitivelor și componentelor electronice pe placa de cablaj imprimat;

– funcția termică, asigurând transferul prin conducție a căldurii generate de componentele electronice în funcționare și preluarea prin terminale.

Astfel, în procesul de contactare sau lipire cu transfer de căldură avem mai multe tipuri de lipituri :

– lipituri moi, atunci când temperatura de topire a aliajului de topit este cu mult mai mică decât cea a metalelor de bază;

– lipituri tari, atunci când temperatura de topire a aliajului de topit este comparabilă cu temperatura metalelor de bază;

La contactul dintre aliajul de lipit topit, care se află în stare lichidă, și metalele de bază ce sunt în stare solidă apar anumite procese fizico-chimice, acestea condiționând lipirea.

La realizarea contactului prin lipire apar anumite caracteristici, precum:

1. Caracteristicile electrice, adică rezistivitatea foarte mică; densitatea de curent admisă; Caracteristicile electrice sunt determinate de caracteristicile de material ce le prezintă aliajul de lipit și de parametrii procesului care influențează sau determină structura lipiturii.

2. Caracteristicile mecanice: rezistența față de acțiunea combinată a factorilor mecano-climatici, vibratțile, șocurile și variațiile termice. În cazul componentelor montate cu terminale acestora prin gaură, lipitura îmbracă terminalele și urcă prin capilaritate prin gaură.

Pe lângă lipitură, un rol important îl are și terminalul trecut prin gaură – aspect privit din punct de vedere al asamblării mecanice a componentei. În cazul componentelor SMD (Sourface mounted device), prinderea mecanică a componentei pe placa electronică este asigurată de lipitură, rezistența ei la solicitările mecanice fiind determinată de volumul de aliaj ce se va depune. Se consideră din acest motiv că în acest caz marginea de siguarnță mecanică a lipiturii este redusă;

3. Caracteristicile termice: conductibilitatea termică este foarte bună fiind determinată de caracteristicile de material ale aliajului de lipit și de parametrii procesului care influențează structura lipiturii;

4. Caracteristicile fizico-chimice de material și proces: apare rezistența la oxidare care este asigurată prin calitățile aliajului, fiind un rezultat al procesului de asamblare prin protecție; Pentru a se putea realiza lipirea trebuie ca metalele de bază să fie umectate de aliajul de lipit topit, pentru ca între cele două materiale să se stabilească legături strânse.

Umectarea este de fapt relația dintre timpul de umectare și forța de umectare. Viteza și forța mare de umectare sunt obiective urmărite în procesul de lipire. Umectarea bună va fi posibilă dacă suprafețele metalelor și ale aliajului sunt perfect curate pe toată durata procesului de lipire. Un aport signifiant în procesul de lipire îl aduce tensiunea de suprafață, forța adezivă și acțiunea de capilaritate.

Un alt aspect important în procesul de lipire este proprietatea cositorului de a se răspândi pe o suprafața de contact. Aceasta constă în interacțiunea dintre forțele opuse, precum forța de umectare și tensiunea de suprafață. Existența capilarității este determinată de tensiunile superficiale, mai ales ale aliajului în stare lichidă și dintre metalele de bază și aliajul lichid, fenomen deosebit de important la lipirea pieselor electronice. În urma capilarității, aliajul topit pătrunde și umple spațiile înguste dintre piese, fapt ce asigură lipirea; fenomen numit adesea lipire capilară.

Fenomenul de capilaritate apare dacă interstițiile sunt destul de mici (sub 0,25 mm) și este favorizată de rugozitățile mici ale suprafețelor, mai ales dacă sunt sub formă de canale, numite și rizuri; Pe suprafețe lustruite capilaritatea este redusă, întinderea fiind slabă, astfel se recomandă ca suprafețele, mai ales cele de cupru, să aibă aspect „satinat” – asperități mici. Capilaritate poate fi definită ca fiind un fenomen ce apare în urma interacțiunilor dintre moleculele de lichid și solid pe suprafața lor de separare.

2.2. Configurația mașinii cu tehnologie de lipire cu val

Procesul de lipire cu val de cositor este realizat la nivel industrial cu ajutorul unor mașini specializate, care au o structură principial comună, corespunzătoare cerințelor impuse de necesitatea pregătirii în mod sigur a parametrilor procesului de lipire. Prin asigurarea unui sistem de transport al plăcii plantate între zona de plantare a componentelor, fie că este manual și / sau automat, mașina de lipit cu val și zona de control a plăcii asamblate, se crează o linie tehnologică de lipire cu val (wave soldering line).

Plăcile electronice plantate sunt vehiculate prin sistemul de transport cu benzi transportoare prin prindere directă sau indirectă. Prinderea indirectă presupune utilizarea unor cadre specializate, cum este reprezentat și în imaginea din figura 2.3. Pot fi transportate și prin prinderea directă a acestora prin utilizarea unor agrafe, dar în cazul prinderii directe plăcile electronice vor fi prevăzute bare de protecție la patrunderea în val.

Figura 2.3.PCB transportat cu ajutorul cadrului specializat

În procesul de lipire sunt câteva faze importante prin care trece placa electronică până când ajunge să treacă peste valul de cositor pentru a fi lipită, cum este reprezentat și în figura 2.4. O primă fază este cea în care este depus fluxul. În a doua fază placa electronică ajunge în zona de preîncălzire, urmând astfel să ajungă și în cea de – a treia fază când deja placa se află în zona valului de lipit, unde placa trece peste valul de cositor, fiind astfel lipită.

Pe langă toate aceste faze relevante, întâlnim și faza de evacuare. În zona de evacuare este controlat fluxul de aer. Prea mult sau prea puțin aer poate sa încălzească sau să răcească mașina prea mult, fapt care cauzează defecte în lipire. Dar toate aceste faze nu le-am putea realiza daca nu ar fi conveiorul mașinii de lipire cu val. Cu ajutorul acestuia placa electronică ajunge în fiecare zona specifică și necesară acestui proces de lipire cu val de cositor.

Figura 2.4. Fazele procesului de lipire cu val de cositor

Mașinile cu tehnologie de lipire cu val au o structură serială pe zone specializate pentru zona de aplicare a flux-ului, pentru preîncălzirea plăcii, pentru trecerea plăcii deasupra valului de lipire, pentru răcire și în funcție de tipul flux-ului utilizat și pentru curățare.

Fluxul este substanța care facilitează procesul de lipire, prin curățarea chimică a suprafețelor metalice care intervin direct în lipitură. Flux-ul este utilizat pentru rolul ce îl are în susținerea umectării și a transferului termic de căldură și pentru că acesta asistă la formarea adecvată a lipiturii.

Acesta îndepărtează oxizii de pe suprafețele plăcilor și le protejează împotriva re-oxidării. Selecția fluxului depinde de capacitatea componentelor și a plăcilor de a se lipi și de cerințele clienților. Flux-urile sunt de mai multe tipuri : flux bazat pe colofoniu și flux solubil în apă. După lipire rezidurile de flux sunt lăsate în urmă pe PCB’uri. În funcție de tipul de flux este posibil să fie necesar ca rezidurile sa fie îndepărtate pentru a se evita erorile electrice și de coroziune.

În cadrul companiei sunt utilizate aplicatoare de flux, precum spray-urile și ultrasonicele sau o combinație a ambelor tehnologii. Este foarte important să se obțină, ca și alți parametri de altfel, cantitatea adecvată de flux în vederea unor rezultate optime. În cazul în care cantitatea de flux depusă este insuficientă pot să apară defecte precum: umpleri sărace ale găurilor plăcii, non-umectare sau de-umectare, legături între componentele apropiate (bridging), deschizături, etc.

De asemenea, și în cazul în care este depusă o cantitate prea mare de flux apare defecte la lipitură. În urma excesului de flux pot surveni defecte precum : reziduri excesive, goluri în lipitură, bile de aliaj, aliaj în exces, etc.

Faza de preîncălzire este importantă pentru evaporarea solventului din flux, pentru transferul termic și pentru activarea flux-ului. Această fază ne ajută sa prevenim și să evităm șocurile termice ale componentelor și plăcilor electronice și este de mare folos și în lipirea componentelor through – hole de pe partea superioară a plăcii. Temperatura de pe partea superioară a plăcii trebuie să fie mai mare de 99° C pentru flux-urile bazate pe apă. Dacă temperatura pe partea superioară a plăcii este foarte ridicată, de exemplu, dacă este mai mare de 135° C, poate face ca flux-ul să înceapă să ardă, ulterior rezultând o condiție săracă a aliajului și defecte în lipitură.

Figura 2.5. Exemplul unui profil termic de preîncălzire

În această figură se observă cum temperatura plăcii crește treptat. Este psoibilă creșterea temperatura chiar și de la cea camerei până la temperatura dorită. În configurația mașinii Electra, cea utilizată în cadrul companiei, sunt trei zone ale etapei de preîncălzire. Voi începe cu zona cea mai îndepărtată de zona valului de cositor. Aceasta este zona 3, cea mai îndepărtată de zona în care are loc lipirea efectivă și totodată cea mai apropiată de zona în care se aplică flux-ul. Sunt cunoscute trei mecanisme de transmitere a căldurii :

Transmiterea prin conducție;

Transmiterea prin convecție. Acest mod de transmitere este, de asemenea, de două tipuri : liberă sau forțată;

Transmiterea prin radiație.

În această zonă transmiterea căldurii are loc prin mecanismul convecției, pe partea inferioară a plăcii. După zona convecției urmează zona 2, unde are loc transmiterea căldurii, atât pe partea superioară cât și pe cea superioară a plăcii, prin mecanismul convecției. Datorită configurației mașinii de lipire cu tehnologia la val, Electra, este utilizat doar mecanismul convecției forțate și cel prin radiație. În cele din urma, în zona 1 are loc preîncălzirea prin mecanismul radiației infraroșu atât pe partea inferioară, cât și pe cea superioară.

Preîncălzirea pe partea superioară a plăcii electronice este foarte rar necesară pentru obținerea unui profil termic adecvat. Totuși, atunci când este nevoie preîncălzirea are loc și pe partea superioară a plăcii, în vederea obținerii profilului termic adecvat al fiecărui PCB. Măsurătorile termice făcute pe partea superioară a plăcilor ce au fost preîncălzite pe partea inferioară ne asigură de transmiterea căldurii în mod adecvat profilului termic dorit. În imaginile următoare, din figura 2.6, sunt reprezentate zonele 1, 2 și 3 după configurația mașinii Electra.

Figura 2.6. A – Zona 3 – preîncălzirea prin convecție forțată

(zona cea mai apropiată de fluxer)

Figura 2.6. B – Preîncălzirea prin convecție forțată

Figura 2.6. C – Preîncălzirea prin radiație infraroșu

Preîncălzirea este utilizată pentru îndepărtarea solvenților din stratul de flux ce a fost depus și pentru activarea flux-ului. De asemenea este necesară și pentru prevenirea șocului termic care apare la trecerea plăcii prin val. Preîncălzirea are loc treptat, cu o panta ce este determinată de creșterea temperaturii. Preîncălzirea de la valoarea temperaturii camerei este realizată prin mecanismul convecției, prin utiliazrea jeturilor de aer cald. Pentru preîncălzirea premergătoare trecerii plăcii prin val și pentru ca temperatura de preîncălzire ce este necesară în zonele plăcilor dens populate cu componente sau care au o masă termică mare să fie asigurată, sunt utilizate încălzitoarele cu radiație infraroșie.

După preîncălzire placa electronică ajunge în zona valului de cositor (wave region), unde componentele de pe aceasta vor fi lipite. Pentru ca lipirea să aibă loc placa plantată este transportată sub un unghi determinat prin valul de cositor în stare lichidă. Acest fapt determină activarea fluxului și depunerea aliajului pentru realizarea lipirii terminalelor componentelor. Sunt utilizate varii configurații de val ale aliajului de lipit, precum un val sau două valuri, laminare sau turbulente, etc.

Două valuri cu diferite geometrii sunt utilizate, de obicei, pentru lipirea plăcilor care au plantate pe partea inferioară componente SMT și componente cu terminale – THT pe partea superioară. Presiunea, viteza și direcția în care aliajul de lipit, în stare lichidă, este ejectat de către duză, în funcție de geometria acestuia, determină forma valului de lipire. Parametrii aceștia determină, de altfel, caracteristicile de curgere ale valului aliajului de lipire și dictează condițiile de intrare și de ieșire ale plăcilor din val. De asemenea, aceștia determină unghiurile de intrare sau ieșire și viteza deplasării plăcii. Se ia în considerare viteza relativă de deplasare a acesteia în raport cu cea de curgerea a aliajului în stare lichidă, adică cositorul topit.

Sunt întâlnite mai multe forme și configurații ale valului aliajului de lipire. Acestea pot fi clasificate după cum urmează:

După numărul de valuri: valul poate fi simplu sau dublu;

După direcția de curgere a valului: acesta poate fi unidirecțional și bidirecțional;

După modul de curgere al valului: valul poate fi turbulent, poate fi vibrator, poate fi laminar sau poate să mai fie staționar;

După mediul exterior al anvelopei valului: valul poate fi ca și mixturi uleioase, uscat, barbotat cu aer sau gaz inert.

Putem spune că această zonă, cea a valului de lipire, este împărțită în trei regiuni. În prima regiune cositorul este pompat printr-o duză. Acesta este locul unde începe acțiunea de umectare. După regiunea de umectare, placa trece în regiunea de transfer al căldurii. Până când placa ajunge în această regiune, acțiunea de umectare s-a finalizat. Cea de-a treia regiune este regiunea în care este curățat excesul de aliaj (peel back region) ce a rămas pe plăcuță, în urma trecerii peste valul de cositor topit.

După cum spuneam, trecerea prin aceste faze, în acest proces de lipire cu val de cositor, este nerealizabilă fară componenta transportoare și anume conveiorul. Conveiorul este o bandă formată din ‘degete’ metalice în formă de L și în formă de V. În figura 2.7. sunt exemplificate acele ‘degete’ metalice care susțin placa în timpul deplasării acesteia în zona fluxerului, în zona preîncălzitoarelor și în zona valului de lipit.

Figura 2.7. Partea transportoare a mașinii de lipire cu val – Conveior.

În cazul în care unul dintre aceste degete este rupt sau îndoit produsul (PCB’ul) poate să cadă de pe conveior și să sufere defecțiuni, de aceea aceste degete trebuie înlocuite imediat. De asemenea, acestea au nevoie de o curățare regulată pentru evitarea depunerilor de flux. O dată cu depunerile de flux instalate pierdem și poziționarea corectă a PCB-ului pe conveior. Orice modificare apărută la viteza conveiorului va afecta preîncălzirea plăcii, timpul de contact și ceilalți parametrii ai procesului de lipire. Acest lucru va determina necesitatea generării unui nou profil termic. Așadar, schimbările aduse vitezei de deplasare a conveiorului poate să determine scăderea temperaturii de preîncălzire și a timpului de contact al plăcii cu valul de cositor.

Timpul de contact al plăcii cu valul de cositor este determinat de viteza conveiorului, de claritatea plumbului, de înălțimea valului de cositor și de dinamica valului. În vederea obținerii timpului de contact al plăcii vom proceda astfel :

ÎV = VT + VL,

Unde ÎV este înălțimea valului, VT – valul turbulent, VL – valul laminar.

VDC = ÎV ÷ TC

Unde VDC este viteza de deplasare a conveiorului, TC este timpul de contact al plăcii cu valul de lipit.

Parametrii cei mai importanți ai procesului de lipire cu val, precum preîncălzitoarele, viteza conveiorului, timpul de contact și paralelismul, sunt verificați cu ajutorul unui cadru sau paletă specializată pentru verificarea valului. Denumirea acestuia este Wave Verification Pallet. Rolul acestui cadru este de a măsura repetabilitatea mașinii de lipit cu val, de la o zi la alta, și de a reduce variabilitățile. În figura 2.8. Putem observa o astfel de paletă utilizată în cadrul companiei.

Figura 2.8. – Wave Verification Pallet

La momentul în care placa a ajuns în zona valului de lipit, are loc și evacuarea aerului. Fluxul de evacuare al aerului este controlat de amortizoarele mașinii. Aceste este măsurat cu ajutorul unui anemometru, printr-o mică gaură în conducta mașinii. Este important ca fluxul de aer evacuat să fie măsurat deoarece prea mult aer evacuat va duce la răcirea excesivă a mașinii sau dacă aerul nu este destul evacuat, acest lucru poate conduce la supraîncălzirea mașinii, rezultând astfel defecte la lipire. Fluxul de aer sau de Nitrogen este controlat de regularizatoarele de debit ce sunt plasate pe mașină.

2.3. Parametrii și variabilele procesului de lipire cu val

Luând în considerare procesul intrinsec de lipire cu val de cositor, putem defini parametrii procesului de lipire în relație cu zonele tehnologice descrise. Perioada sau timpul de preîncălzire (Preheating time) trebuie să asigure o creștere rapidă a temperaturii plăcii conform cerințelor. Placa trebuie sa ajunga la 85°C înainte de momentul lipirii; timpul de umectare (Wetting time) începe de la momentul în care a avut loc primul contact între părțile ce urmează a fi lipite și valul de aliaj topit, până la momentul în care aliajul începe să se solidifice în lipitură; durata contactului plăcii cu valul de aliaj(Dwell time) are loc de la primul contact între părțile ce urmează să fie lipite și valul de aliaj topit, până la ultimul contact cu valul aliajului. Acesta trebuie să dureze de la 2 până la 4 secunde. Perioada de lipire (Soldering time) începe de la primul moment al contactului cu valul de aliaj topit și până la începerea efectivă a solidificării, aceasta fiind egală cu timpul de contact plus aproximativ 5 – 10 sec. Durata de solidificarei a aliajului topit (Solidification time), este o perioadă necesară procesului de solidificare care are loc pe fața inferioară a plăcii. Timpul de răcire (Cooling time) se referă la răcirea forțată care este utilizată pentru răcirea suprafețelor populate cu componente ale plăcii. Este luată în vedere evitarea apariției crăpăturilor sau a defectelor în lipituri din cauza unei răciri mult prea accentuată la ieșirea din val a plăcii.