Печи оплавления с горизонтальной конвекцией П. Джон Шилох (P. John Shiloh), вице-президент компании NOVASTAR TECHNOLOGYES (США)



П. Джон Шилох (P. John Shiloh),
вице-президент компании

NOVASTAR TECHNOLOGYES (США)

Принудительная конвекция является предпочтительным вариантом технологии для пайки поверхностно монтируемых компонентов по сравнению с инфракрасным и другими методами нагрева, так как этот метод основывается на использовании физических принципов и отличается возможностью использования припоев без свинца. Необходимо также указать, что значительно отличающиеся значения коэффициента излучения различных компонентов, плотно установленных на плату сборки, является фактором, который может во многих случаях препятствовать применению инфракрасного метода нагрева. Кроме того, так как при инфракрасном методе нагрева при излучении энергии образуются затененные участки, компоненты, имеющие малые размеры или расположенные сравнительно низко, или же находящиеся в непосредственной близости к крупным компонентам, имеющим большую высоту, оказываются неравномерно нагретыми.
 
Следует также отметить значительные трудности, которые возникают при применении широко распространенной методики принудительной конвекции, для которой также необходимо найти возможности улучшения.
 
Разность температур
 
Одним из наиболее существенных преимуществ метода принудительной конвекции по сравнению с методом инфракрасного нагрева является появление возможности уменьшить значения разности температур на различных участках печатной платы. Однако даже при использовании метода принудительной конвекции центр печи всегда остается более горячим, чем периферийные участки, так как камеры печи подвергаются естественному охлаждению снаружи. Наличие подобного эффекта вынуждает технологов создавать такие профили нагрева, при которых создается достаточно мощный нагрев для обеспечения процесса оплавления для компонентов, располагающихся на периферийных участках платы, что приводит к риску перегрева и повреждения компонентов, чувствительных к действию нагрева, которые располагаются в центральной части платы. Необходимо также учитывать тот факт, что в конвекционных печах горячий воздух обычно подается к верхней части платы с помощью одного набора нагревателей, а к нижней части платы с помощью другого набора нагревателей. При любых отличиях температуры между указанными сторонами платы в материале платы возникают напряжения, которые могут стать причиной возникновения таких дефектов, как коробление платы и ее расслоение.
 
Различия в объеме подаваемого воздуха
 
В обычных конвекционных печах с принудительной подачей воздуха, поток горячего воздуха, подаваемого к микросборке, продолжает свое движение к периферийной части печи. Охладившись, воздух захватывается вентилятором, подвергается повторному нагреву и снова подается к плате (Рис.1). Таким образом, объем воздуха, подаваемого к любой точке центральной части платы, оказывается гораздо меньшим по сравнению с объемом горячего воздуха, подаваемого к периферийной части платы. Это объясняется тем, что периферийные участки платы оказываются под действием не только горячего воздуха, но и под действием более холодного воздуха, проходящего к периферии, чтобы снова поступить в вентилятор.
 
Наличие подобного явления приводит к необходимости его учета и нахождения соответствующих решений.
 
В данном случае необходимо учитывать следующее:
 
  1. Объем воздуха, подаваемого к некоторой точке платы, отличается от объема воздуха, подаваемого к любой другой точке платы (в продольном направлении). При наличии подобных различий в объеме подаваемого воздуха летучие вещества выходят из пасты припоя с различной скоростью выделения, что становится причиной несоответствий активации флюса и его высыхания.
  2. Периферийные участки платы подвергаются действию больших объемов подаваемого воздуха, но при этом они находятся при более низкой температуре, что еще более ухудшает ситуацию центральной части платы, в которой имеет место ситуация центрального точечного перегрева при охлаждении периферийных участков.
  3. В большинстве конвекционных печей используется система равномерно распределенных портов, с помощью которой создаются потоки воздуха, которые обычно называются «струями». В то же время, объем воздуха в точке, которая располагается непосредственно под сферой действия каждой струи, значительно отличается от объема воздуха в точках, которые располагаются между струями.

Различия в значениях скорости потока
 
С одной стороны, повышение скорости подачи воздуха приводит к увеличению эффективности передачи тепла к компоненту. С другой стороны, если скорость подачи воздуха оказывается слишком большой, то это может стать причиной смещения компонентов с их заданного положения установки. При этом имеют место два неблагоприятных фактора, которые проявляются в большинстве конструкций конвекционных печей. Скорость подачи воздуха должна быть существенно уменьшена, чтобы исключить возможность смещения компонентов с их заданного положения установки, которое располагается непосредственно под сферой действия струи (что существенно уменьшает эффективность передачи тепла к компонентам, которые располагаются на участках платы, на которые струя не направлена непосредственно). При этом различные точки на периферийных участках платы, подвергаются воздействию воздуха, проходящего с большими скоростями, то есть, поток воздуха, проходящего над периферийными участками платы, представляет собой комбинацию непосредственно подаваемого потока и потока воздуха, проходящего к периферийным участкам платы от центра. При этом скорость потока воздуха увеличивается в тех случаях, если больший объем воздуха проходит через некоторое ограниченное поперечное сечение в объеме.
 
Различия в значениях давления
 
Различия в значениях давления различных участков печатной платы в определенной степени аналогичны различиям, которые обусловлены отличающимися значениями скорости потока и объемами подаваемого воздуха.
 
Так же как это было описано для случаев изменяющихся значений скорости, в центральной части области поступления каждой струи образуется зона повышенного давления. Кроме того, повышенное давление обычно отмечается на удаленных от центра (периферийных) участках платы, а сфера пониженного давления имеет место ближе к центру.
 
Это опять-таки, обусловлено большей скоростью движения воздуха и является также следствием прохождения определенного объема воздуха через ограниченное поперечное сечение.
 
Различия в направлении движения потока воздуха
 
Подобные различия весьма типичны для широко используемых конструкций конвекционных печей. В данном случае, если имеются два совершенно идентичных компонента, но один из них располагается ближе к центру печи по продольной центральной линии, а другой находится на удаленном участке, то на первый из них струя подается из точки, которая располагается непосредственно над ним. Таким образом, угол подачи струи воздуха представляет собой вектор, ось которого перпендикулярна плоскости поверхности платы. Удаленный компонент, кроме того, что подвергается действию верхних струй воздуха, обдувается также потоками воздуха с векторами, близкими по своему направлению центральному.
 

Типичная конструкция конвекционной печи. Поперечный разрез воздуходувки и камеры

 
Рис.1 Типичная конструкция конвекционной печи
Поперечный разрез воздуходувки и камеры

 
1 — Возвращающийся поток воздуха
2 — Струи воздуха
3 — Нагревательный элемент
4 — Верхние вентиляторы
5 — Верхняя воздуходувка
6 — Плата
7 — Нижняя воздуходувка
8 — Нижние вентиляторы
9 — Теплоизоляция камеры

Таким образом, формируется суммарный поток воздуха, имеющий вектор, направленный под углом, гораздо более острым по отношению к плате, (а не перпендикулярным). В результате получается следующее: два идентичных компонента поглощают тепло с различной скоростью, так как воздух подается на их поверхность (со специфической формой) с разных направлений. Подобная трудность оказывается еще более выраженной в тех случаях, когда необходимо обеспечить подачу потока воздуха, проходящего между корпусом компонента и поверхностью платы. Так, например, компоненты типа ВGА, располагающиеся в центральной части платы, подвергаются меньшему воздействию потока воздуха, проходящего под корпусами компонентов, чем аналогичные компоненты, располагающиеся на периферийных участках платы.
 
Обобщая, можно сказать следующее: большинство специалистов уверены в том, что методика принудительной конвекции является наиболее эффективным методом пайки поверхностно монтируемых компонентов, но при этом многие из них утверждают, что она может и должна быть усовершенствована. Это, прежде всего, относится к обеспечению более однородного температурного поля в зоне нагрева, а также к обеспечению большей однородности таких параметров, как объем подачи воздуха, скорость струи воздуха и вектор ее направления по отношению к плате.
 
Горизонтальная печь
 
В настоящее время разрабатывается новый тип печей с принудительной подачей воздуха, которые получили название «горизонтальных конвекционных печей», с помощью которых видимо, удастся ослабить или даже полностью устранить некоторые из ранее описанных трудностей, что в свою очередь, позволит технологам существенно расширить пространство рабочих параметров и повысить качество пайки, в особенности, при использовании припоев без содержания свинца.
 
В горизонтальных конвекционных печах используется два основных принципа, которые отличаются от принципов действия обычных конвекционных печей (см. рис. 2):.
 
  1. Воздух в каждой из камер подвергается рециркуляции только в пределах границ камеры, в которой располагаются все компоненты, необходимые для эффективного действия печи. К этим компонентам относятся нагревательные элементы, лопасти вентиляторов, диффузоры (сопла) для подачи инертного газа и порты откачки.
  2. Воздух подвергается циркуляции в направлении к одной стороне печи, к участку, располагающемуся над платой и к противоположной стороне печи, к участку, располагающемуся под платой, что приводит к формированию циркулирующего потока воздуха или «циклона», проходящего вокруг платы по горизонтальной оси, продольной для этой печи.

Поперечный разрез горизонтальной конвекционной печи.

 
Рис. 2. Поперечный разрез горизонтальной конвекционной печи.

 
Воздух в каждой из камер подвергается рециркуляции в пределах границ камеры, что позволяет уменьшить различия в таких параметрах как температура, скорость подачи потока воздуха и т.п.
 
1 — Верхние вентиляторы для создания принудительной подачи потока воздуха
2 — Нагревательный элемент
3 — Плата
4 — Поток воздуха
5 — Теплоизоляция камеры
6 — Нижние вентиляторы для создания принудительной подачи потока воздуха

 
В данном случае верхние и нижние участки платы получают воздух, поступающий от периферии к центру, что полностью изменяет условия, при которых формируется центральная нагретая зона с более холодной периферией. Кроме того, так как верхний и нижний потоки воздуха в камере подвергаются непрерывной циркуляции, тем самым обеспечивается однородность поля температуры, что сводит к минимуму возможность возникновения напряжений в материале платы. При этом удается получить большую однородность таких параметров, как объем подаваемого воздуха, давление в объеме печи и скорость потока воздуха, так как поток воздуха проходит через равные и пропорциональные поперечные сечения верхней и нижней камер. Однородность направления вектора потока воздуха обеспечивается в данном случае тем, что в данной системе поток воздуха проходит параллельно поверхности платы (рис.3). Дополнительным преимуществом обеспечения параллельного «угла атаки» является способность потока воздуха просачиваться в промежутки, имеющиеся под корпусами компонентов, что увеличивает паяемость таких сложных для данного процесса компонентов, как BGA и компонентов с выводами типа J.
 
Сравнение вариантов конструкции обычной конвекционной печи и горизонтальной конвекционной печи

 
Рис. 3. Сравнение вариантов конструкции обычной конвекционной печи и горизонтальной конвекционной печи.

 
В горизонтальной печи поток воздуха подается параллельно поверхности платы, что позволяет обеспечить повышенную однородность поля температуры.
 
Важным преимуществом использования такой системы является ее способность получать зоны с пониженным содержанием кислорода при работе печи с инертным газом (например, азотом) при пониженных значениях подачи этого газа, так как объем пространства для подобной промывки включает в себя только края камеры. В противоположность сказанному, при использовании обычной конвекционной печи необходимо подвергать этой операции не только камеру, но и верхние и нижние вентиляторы.
 
И, наконец, так как в горизонтальной конвекционной печи нет ни вентиляторов, ни устройств повторного ввода потока воздуха, то вследствие простоты своей конструкции, она оказывается более надежной и дешевой.
 
Фактор управления флюсом
 
При использовании обычной конвекционной печи необходимо применение устройств управления флюсом. При испарении летучих веществ флюса они отводятся от платы, в результате чего поток воздуха или газа внутри системы оказывается смешанным с этими парами, которые имеют тенденцию конденсироваться на сравнительно более холодных участках системы. Таким образом, в обычных конвекционных печах отмечается оседание осадков флюса на таких более холодных компонентах системы как вентиляторы (воздуходувки). Если процесс осаждения летучих веществ флюса не контролируется, то осажденный материал флюса начинает капать и это создает большие сложности при очистке печи, что и определяет необходимость использования устройств управления флюсом и дорогостоящих устройств охлаждения, с помощью которых обеспечивается улавливание паров флюса, их ожижение и слив в специальные приемники для последующей утилизации.
 
В противоположность сказанному при использовании горизонтальной конвекционной печи воздух с парами флюса циркулирует только в пределах нагретой камеры, в результате чего летучие вещества флюса никогда не соприкасаются с более холодными участками поверхности и соответственно, не конденсируются, что позволяет существенно уменьшить затраты на техническое обслуживание и очистку системы.
 
* Перевод статьи P. John Shiloh «Horizontal Convection Reflow» из журнала SMT, February 2003.