Инфракрасная пайка является самой совершенной методикой, в процессе нагрева берет участие сфокусированный поток ИК лучей, воздействующий лишь на участки объекта пайки. ИК паяльная станция в своем составе имеет два нагревателя, один из которых расположен в нижней доле и поддерживает сравнительно невысокую температуру, а второй находится сверху и производит быстрый нагрев необходимого участка локальным способом. Локальный нагреватель вырабатывает температуры до показателей, при которых припой становится мягким и податливым к обработке.
В пайке применен небольшой диапазон излучаемого спектра. Длина инфракрасных волн зависит от температурных показателей источника излучения. Чем выше показатели излучаемого тепла, тем короче длина волны. Короткие лучи в объект проникают глубже сравнительно с волнами средней и дальней длины.
Разные материалы по-разному абсорбируют тепловые ИК лучи. Существует четыре вида подачи инфракрасного излучения объекту:
Отражение – весь поток энергии полностью отражается от поверхности объекта без его прогревания;
Непрозрачность – ИК энергия затормаживается и прогревает только внешнюю поверхность объекта;
Прозрачность – ИК излучение проходит через все слои материала, не создавая теплового эффекта;
Полупрозрачность – лучи проходят на определенную глубину, нагревая лишь зону проникновения.
Особенности инфракрасного нагрева создают некоторые проблемы во время пайки:
Возможно неравномерное нагревание разных составляющих элементов платы из-за разного уровня поглощения ИК лучей;
Сложность создания необходимого режима нагрева из-за неправильного подбора излучаемого спектра к компонентам платы;
Подборка индивидуальных режимов излучения для плат с разными размерами и массой;
Сложности обработки затененных зон платы;
Необходимо создавать защиту поверхности излучающего прибора от испарений флюсов.
Необходимость защиты нагревателей от испаряющихся флюсов.
Первые, разработанные ИК нагреватели для пайки были основаны на применении ИК излучающих ламп с температурной подачей от 800 до 1100оС. Поскольку для пайки по стандарту необходим диапазон температур 210-215оС, зачастую происходил перегрев поверхностных участков платы. Излучающие лампы имели вид спирали, из вольфрамового материала помещенной в кварцевую трубчатую оболочку. Пространство в трубке наполнено инертным газом. Зачастую такие нагреватели устанавливались в рефлектор, который отражал излучение на необходимый объект. Данные устройства вырабатывают мало дальние, короткие и ближние лучи. В процессе такой пайки плата получает около 90% вырабатываемой энергии. Причиной этому есть то, что воздух абсолютно прозрачен для инфракрасных лучей, он практически не вбирает в себя тепло, из-за этого конвективный и кондуктивный вид нагрева здесь нецелесообразен. Главными преимуществами пайки ИК лампами есть быстрый нагрев, малая инерционность излучателей, возможность регулировки подаваемой температуры и времени нагревания и простота обслуживания оборудования.
Окружающая атмосфера, которая присутствует в помещении, где проводится пайка, имеет большое влияние на качество процесса и конечный результат. Зачастую ИК паяльное оборудование располагают в воздушной среде. Кислород может провоцировать окисление припоев и разрушать органические элементы платы. Из-за этого желательно максимально сократить время пайки так, чтобы она не превышала 2-3 минут. Отличным вариантом есть пайка в инертной среде, где содержится азот с небольшим процентом кислородного состава и водно-азотной смеси. В данном случае качество пайки будет улучшенным, окисление припоя исключается и увеличивается флюсовая активность.
Современная технология ИК пайки используется в трех разных вариантах, для каждого из которых выведен свой отдельный вид излучающего оборудования: ламповые установки, панельные устройства и станции комбинированного типа.
Ламповые излучатели воздействуют сразу на несколько участков. В конструкцию ламповых устройств входит сразу несколько нагревателей размещенных в нижней и верхней части транспортера, на который устанавливается плата. В зоне оплавления расположено большое число ламп, закрепленных в рефлекторные отражатели. При такой комбинации создается большая плотность ИК излучаемого потока. На участке предварительного подогрева расположение ламп более редкое. Нагрев платы происходит плавно с равномерным распределением температуры по всей ее поверхности. Чтобы убрать появляющиеся летучие вещества на входе и выходе из нагреваемого участка установлены вентиляторы. На выходе также расположена система принудительного охлаждения объекта пайки.
Панельные инфракрасные станции схожи с ламповыми устройствами пайки. Нагревателями в данном случае выступают инфракрасные панели с разной мощностью, что дает возможность регулировать температуру и период нагревания. ИК панели состоят из трех слоев. Лицевой слой направляется на плату, и может быть изготовленным из стекла, керамики или металла. Зависимо от используемого материала лицевая сторона может функционировать как вторичный излучатель или как прозрачное окно. В первом случае выполнять нагрев будет не сам нагревательный элемент, а материал, из которого выполнен лицевой слой. Вторичный слой произведен из фольги либо проволоки высокого сопротивления смотанной в спираль. Третий элемент выполняет функцию изоляции и изготовлен из керамического тугоплавкого состава.
Зачастую используются ИК панели производящие средний и дальний диапазон излучения. Устройства такого типа способны вырабатывать температуру до 450 градусов. Керамические панели в своем составе имеют камеры с содержанием воздуха либо инертного газа. По этой причине 60% тепла к плате поставляется конвекционным способом, а 40% ИК лучами. Незначительная разность температур излучающего устройства и нагреваемой платы обеспечивает равномерное нагревание.
В панельных инфракрасных установках нагрев осуществляется излучением и конвекцией, потому как ИК лучи имеющегося спектра поглощаются воздухом. Данные устройства могут иметь несколько зон предварительного разогрева с нагревателями расположенными с одной либо сразу с нескольких сторон. Большее количество нагревательных участков дает возможность увеличить скорость конвейера. Панели при нагреве создают равномерную подачу температуры и не чувствительны к загрузкам зоны нагрева. Минусом таких устройств есть замедленное реагирование на изменения в режимах тепловой подачи. Металлические панели характеризуются высокой подачей температуры в центральной части нагревателя и низкой в районе кромок, а приборы с прозрачной лицевой поверхностью наоборот имеют высокие температурные показатели в краевых участках.
Наибольшими преимуществами обладает ИК пайка комбинированного типа с лампами и панелями. Данные устройства обладают оптимальным числом нагреваемых зон. Первая и вторая зоны производят предварительное нагревание с помощью ИК панелей, которые обеспечивают равномерный нагрев и быстрый выход на заданный режим. Расплавка припойной пасты происходит на третьем участке благодаря действию инфракрасных ламп. Затем, в четвертой зоне плата охлаждается и транспортируется при наличии ленточного конвейера. Обычно в конструкцию комбинированного оборудования входят встроенные микропроцессорные системы для возможности автоматического управления режимами нагрева с помощью специальных программ. Вся информация о пайке и ее результатах выводится на дисплей. В компьютерной памяти сохраняется вся информация о типовых режимах пайки печатных плат самых разнообразных типовых размеров. Паяльные станции, принадлежащие к комбинированному типу, могут быть полностью автоматическими и полуавтоматическими.
ИК паяльное оборудование имеет два нагревательных элемента. Первый расположен под платой и выполняет предварительный нагрев до 100 градусов Цельсия. Второй излучатель (верхний) подает сфокусированное тепло на плату до показателей плавления припоя, приделы излучения составляют около 260 градусов.
Оптимизация скорости нагрева зависит от мощности имеющихся нагревателей, их расположения относительно платы, интенсивности и локальности тепловой подачи. Чтобы оптимизировать температуру инфракрасного нагрева следует соблюдать некоторые правила проведения отдельных этапов пайки.
Первым этапом работы ИК паяльного оборудования после установки платы есть предварительное нагревание. Основная его функция это предотвращение резкого теплового удара на электронные элементы и печатные платы. На данном этапе также происходит испарение растворителя находящегося в паяльной пасте. Разница температуры предварительного нагрева и температуры излучаемой в процессе пайки не должны составлять более 100 С.
Стабилизационный этап важен для активации флюса и удаления влаги из пасты. Увеличение температуры осуществляется в очень медленном режиме, пока все элементы платы не будут прогреты до одинаковых показателей. Здесь происходит удаление оксидной пленки с поверхности пайки. Период прохождения стабилизации составляет не больше 2 минут при этом рост температуры должен превышать 0,6 С/с.
На этапе оплавления создается температура плавления паяльной пасты и формируется соединение пайки. Для надежной пайки соединений температура должна быть на 40 градусов выше точки плавления пасты. Длительность процесса не более 2 минут. Скорость пайки 1-3 С/с.
Стадия охлаждения должна происходить быстро, чтобы в процессе сформировалось интерметаллидное соединение, но не быстрее 6 С/с. Излишняя скорость приводит к напряжениям термического характера и повреждениям компонентов объекта пайки. Режим, при котором происходит охлаждение выбирается зависимо от конструктивных особенностей пайки, размеров платы и ее типа.
Руководствуясь изложенным материалом, читатель может определиться с выбором необходимого типа паяльного инфракрасного оборудования и понять принципы оптимизации режимов пайки. Качество пайки напрямую зависит от качества используемого ИК оборудования и грамотного подхода к работе.
