Установка компонентов на печатную плату осуществляется с применением специальных монтажных автоматов, автоматизированных рабочих мест (АРМ) либо полностью вручную.
Существуют монтажные автоматы, осуществляющие вставку штырьковых выводов электронных компонентов с программной ленты в отверстия печатной платы, их подрезку и подгибку с обратной стороны платы с помощью монтажных, гибочных и отрезных головок. Многие монтажные автоматы одновременно обладают функцией выбора компонентов, т. е. могут работать непосредственно из первичных лент либо загрузочных бункеров без необходимости подготовки программной ленты.
В их конструкции могут быть предусмотрены: следящие приводы перемещений по координатным осям; управление с помощью персонального компьютера; загрузка питателей без остановки работы; контроль правильности подачи компонентов; одновременная сборка более чем одной печатной платы; автоматическая загрузка/выгрузка плат; коррекция погрешностей проводящего рисунка печатной платы; автоматическая смена захватных устройств.
Ручная и полуавтоматическая установка компонентов выполняется на АРМах либо монтажных столах. В этих устройствах автоматизирована подача сборочной информации – места установки компонента на плату и его требуемой ориентации, а также может быть обеспечена автоматическая подача нужного лотка с компонентами устанавливаемого типономинала, механизирован процесс фиксации платы на монтажном столе. АРМы могут быть дополнительно оснащены устройствами формовки выводов компонентов. Такое оборудование дешево, но малопроизводительно.
Пайка печатной платы может выполняться автоматически волной припоя и вручную. Пайка волной припоя – наиболее распространенный метод пайки, впервые появившийся в 50-е годы XX века. В процессе пайки платы устанавливаются на конвейер и последовательно проходят несколько рабочих зон паяльной установки: зону флюсования, предварительного нагрева, пайки.
Флюс удаляет оксидные пленки с паяемых поверхностей, улучшает смачивающую способность припоя и предотвращает окисление до начала пайки. Флюсование осуществляется одним из двух основных способов: распылением и с помощью пенообразователя. Метод распыления обладает рядом преимуществ по сравнению с пенообразованием, в частности, он более экономичен, а также позволяет точнее контролировать толщину флюса. Зона флюсования оканчивается устройством «воздушного ножа», служащего для удаления избытка флюса с поверхности платы.
Предварительный нагрев служит для предотвращения теплового удара платы и компонентов в результате контакта с волной горячего припоя, сушки (удаления растворителя) и активации флюса.
Нагрев осуществляется инфракрасными модулями с различной длиной волны, кварцевыми нагревателями и конвекционными системами.
Далее конвейер с платами проходит непосредственно зону пайки, где в ванне с помощью помпы формируется волна расплавленного припоя. Форма волны припоя может быть различной, в зависимости от применяемой модели оборудования.
Изначально использовалась симметричная волна, но впоследствии произошел переход к несимметричным (T-, Z-образная, W-волна и пр.), обеспечивающим лучшие результаты с точки зрения качества паяных соединений.
Подобно зоне предварительного нагрева, зона пайки также оканчивается «воздушным ножом», удаляющим излишки припоя и разрушающим перемычки.
Ряд моделей оборудования обеспечивает возможность пайки волной в среде инертного газа (азота).
Применяется подача азота непосредственно к месту пайки либо создание азотного «туннеля» над всеми зонами. Цель применения азота – уменьшить окисление припоя и флюса, получить более блестящие и яркие паяные соединения, снизить уровень образования шлама и, как следствие, исключить засорение форсунок.
Ручная пайка предварительно установленных компонентов на печатную плату проводится с применением аналоговых и цифровых паяльных станций. Подготовленные поверхности покрывают флюсом непосредственно перед пайкой.
Механизм действия флюса заключается в том, что оксидные пленки металла и припоя под действием флюса растворяются, разрыхляются и всплывают на его поверхности. Вокруг очищенного металла образуется защитный слой флюса, препятствующий возникновению оксидных пленок.
Жидкий припой замещает флюс и взаимодействует с основным металлом. Слой припоя постепенно увеличивается и при прекращении нагрева затвердевает. При проведении процесса пайки крайне важно выдерживать необходимую температуру. Подбор температуры осуществляется в зависимости от применяемого припоя, типа и размера корпуса компонента, материала и топологии платы.
Пониженная температура приводит к недостаточной жидкотекучести припоя и плохому смачиванию соединяемых поверхностей. Значительное увеличение температуры вызывает обугливание флюса до активации им поверхностей спая.
Важными характеристиками паяльной станции являются:
– быстрый нагрев жала до рабочей температуры;
– точный контроль температуры жала с максимальной частотой;
– автоматическая калибровка станции при смене жала либо паяльника;
– быстрая смена жал.
Такими возможностями обладают преимущественно цифровые паяльные станции, которые обеспечивают более точное задание, поддержание и управление температурой паяльника по сравнению с аналоговыми, а также позволяют подключать к станции несколько инструментов.
Для пайки обычно используются жидкий флюс и проволочный припой. Флюс наносится кистью в места пайки. Для пайки в труднодоступных местах, а также для ремонта применяют трубчатые припои с несколькими каналами флюса внутри. Преимущественно применяются припои со слабоактивированными низкоканифольными флюсами, не требующими отмывки, либо со среднеактивированными канифольными, для которых отмывка возможна, но не является обязательной при нормальных условиях эксплуатации изделия. Для пайки сильно окисленных поверхностей, а также поверхностей с плохой паяемостью применяются активированные канифольные флюсы, требующие последующей отмывки в деионизованной воде или органическими растворителями на спиртовой основе. Припои используются как оловянно-свинцовые (Sn-Pb, Sn-Pb-Ag), так и бессвинцовые (Sn-Cu, Sn-Ag-Cu); поставка осуществляется в катушках.
Последовательность пайки установленных в отверстия компонентов:
– очистка жала паяльника (если необходимо), его облуживание;
– установка температуры жала паяльника на станции;
– выдержка, в процессе которой происходит нагрев жала паяльника до требуемой температуры;
– приведение жала в контакт (одновременный) с контактной площадкой и выводом компонента для обеспечения их прогрева, небольшая выдержка (0,5–1 с);
– подача прутка припоя к паяному соединению с образованием связи между выводом и КП (не следует подавать припой непосредственно на жало паяльника во избежание преждевременного выгорания флюса);
– охват припоем вывода по кругу на 360°;
– одновременный отвод прутка припоя и жала паяльника (по направлению вверх вдоль вывода ЭК для образования галтели правильной формы).
Процесс пайки одного соединения должен быть по возможности кратковременным. Во избежание перегрева компонента и отслаивания контактной площадки его общее время составляет от 0,5 до 2 секунд. При пайке необходимо следить за тем, чтобы паяльник даже на короткое время не прикасался к корпусу компонента, и чтобы на него не попадали капли припоя и флюса. После работы жало паяльника необходимо облудить для увеличения срока его службы.
Существуют паяльники с одновременной подачей прутка припоя (пайка одной рукой, вторая может использоваться для удержания компонента и/или платы), а также станции автоматической непрерывной либо дискретной подачи припоя в точку пайки.
Конец вывода должен быть различим в образованном паяном соединении (не должно присутствовать избыточного количества припоя). Поверхность галтелей припоя – вогнутая, непрерывная, гладкая, глянцевая, без темных пятен и посторонних включений. Припой не должен касаться корпуса компонента. Не допускается растекание припоя за пределы контактной площадки по проводнику.
Изготовление печатной платы вручную. Когда схема соединений вычерчена, координаты центров контактных площадок, отверстий для крепления, а также контуры платы переносят на плату из фольгированного материала. Поверхность фольги перед этим тщательно зачищают микронной шкуркой, чтобы удалить пленку оксида, а затем обезжиривают ацетоном. В дальнейшем следует избегать касания фольги руками.
После этого рисунок печатной платы наносят на фольгу кислотоупорной краской (нитроэмаль НЦ-25, асфальтово-битумный лак, цапонлак). Контуры контактных площадок удобно наносить стеклянным рейсфедером с надетой на него ПВХ трубкой или другим способом.
Рисунок печатных проводников можно выполнять самодельным рейсфедером, изготовленным из использованного пластмассового стержня шариковой авторучки. Конец стержня длиной 130 мм осторожно нагревают над пламенем спиртовки. Как только трубка размягчится, оттягивают ее конец и обрезают лезвием. Пластмассовый стержень пишет мягче металлического или стеклянного. В процессе работы рейсфедер необходимо периодически промывать в ацетоне.
Заготовки печатных плат обычно травят в растворе хлорного железа с удельным весом 1,36, налитом в фотокювету подходящих размеров. Процесс травления длится 0,5–1,5 ч. Его можно ускорить покачиванием кюветы. После окончания процесса травления заготовку ополаскивают, тщательно промывают теплой проточной водой. Лак снимают наждачной бумагой № 60, 80 или тампоном, смоченным в ацетоне. Далее в плате сверлят отверстия под выводы деталей и для элементов крепления крупных деталей, а также обрабатывают плату по контуру. После сверления со стороны, противоположной печатным проводникам, со всех отверстий аккуратно удаляют заусеницы, пользуясь сверлом, заточенным под углом 90°, и диаметром примерно вдвое большим, чем сверло, которым сверлили отверстие.