Применение инфракрасного нагрева для монтажа и демонтажа поверхностно монтируемых компонентов

№ 3’2015
PDF версия
Основным фактором, обеспечивающим качество паяных соединений поверхностно монтируемых компонентов в процессе их монтажа и демонтажа и сохранность ремонтируемого изделия, является правильный выбор источника нагрева. Применение инфракрасных (ИК) источников позволяет осуществить локальный нагрев, уменьшить время нагрева ремонтируемого изделия и снизить риск повреждения электронных компонентов. Рассмотрены особенности двух типов ИК-нагревателей: галогенных ИК-ламп накаливания, работающих в ближнем ИК-диапазоне, и керамических нагревателей, действующих в среднем ИК-диапазоне.

Введение

Современное производство изделий электроники невозможно без разработки новых технологий и оборудования групповой пайки, которое обеспечит качественные паяные соединения при возросшей сложности и плотности монтажа поверхностно монтируемых компонентов [1]. Поверхностно монтируемые компоненты (SMD) в корпусах 01005, 0805, 1210, MELF, SOD, SOT, PLCC, QFP, BGA и т. д. широко распространены в различной электронной технике: мобильных телефонах, персональных компьютерах, бытовых и промышленных приборах.

Для монтажа и демонтажа SMD-­компонентов в процессе ремонта электронных изделий применяются инфракрасные паяльные станции различной конструкции, оснащенные разными типами нагревателей. Паяльно­-ремонтная станция «Магистр-­Ц20» [2] с ИК-­нагревом по управляемому двухстороннему термопрофилю в диапазоне +130…+540 °C, состоящая из верхнего керамического нагревателя мощностью 250 Вт и нижнего нагревателя — алюминиевого термостола размером 300×300 мм и мощностью 2100 Вт — поддерживает заданные температуры с помощью блока управления и персонального компьютера (рис. 1а).

Паяльные ИК-станции: «Магистр-Ц20»; AOYUE 710

Рис. 1. Паяльные ИК-станции:
а) «Магистр-Ц20»;
б) AOYUE 710

В комплекте станции AOYUE 710 [3] предусмотрены блок управления, инфракрасная пушка — инфракрасная галогенная лампа мощностью 200 Вт, нижний кварцевый предварительный нагреватель мощностью 650 Вт, система охлаждения, а также блок бесконтактного инфракрасного температурного контроля во время пайки или демонтажа (рис. 1б).

Технология ИК­-пайки имеет ряд преимуществ, таких как [4] высокая скорость нагрева, возможность управления термопрофилем, избирательность нагрева, а также требует дальнейшего развития для повышения качества монтажа и демонтажа поверхностных компонентов в электронных модулях с плотной компоновкой. Для обоснованного выбора источников ИК­-нагрева необходим анализ тепловых полей нагреваемых объектов, оценка влияния расстояния от нагревателя до печатной платы на равномерность и скорость нагрева.

 

Моделирование ИК­-нагрева

Для моделирования процессов инфракрасного нагрева применен метод конечных элементов, позволяющий построить модели систем, имеющих сложную геометрическую конфигурацию и нерегулярную физическую структуру. Для инфракрасного нагрева рассматривается только интегральное, то есть суммарное по всем длинам волн, излучение. Излучающие тепло поверхности задаются абсолютно черными, абсолютно белыми или идеально серыми, поэтому по закону Ламберта их излучение предполагается диффузным, с не зависящей от направления излучения яркостью. В соответствии с законом Стефана — Больцмана, излучаемое с единицы поверхности тепло определяется как [6]:

Q = Fs ×  ε × σ × SH × (TH4Ts4),             (1)

где Fs — угловой коэффициент, ε — излучательная способность тела, σ — постоянная Стефана — Больцмана, SH — площадь нагрева, TH — температура нагревателя, Ts — температура нагреваемой поверхности.

Длина волны, при которой плотность потока излучения черного тела достигает максимального значения для данной температуры, может быть определена из закона Планка посредством выполнения условия максимума T = const:

dEλ/dλ = d/dλ [C1/λ5(eC2T–1)] = 0,    (2)

где Еλ — плотность потока монохроматического или спектрального излучения черного тела при температуре Т, λ — длина волны, С1 и С2 — первая и вторая постоянные излучения.

Решение уравнения (3) дает формулу закона смещения Вина [7]:

λmax × T = 2,898 × 10–3m × K,          (3)

где λmax — длина волны, при которой достигается максимум монохроматической плотности потока излучения черного тела с температурой T.

Для моделирования процесса инфракрасного нагрева необходимо задать начальные и граничные условия. Начальные условия задаются с помощью Wizard, модуля Flow Simulation программного комплекса SolidWorks 2012 [8]. К ним относятся система единиц измерения, тип анализа, тип окружающей среды, материал по умолчанию, параметры теплообмена, значения начальных и окружающих условий, точность моделирования, параметры излучаемых поверхностей (Radiative surfaces), источников излучения (Radiative sources) и тепла (Surface source).

ИК-нагреватели:  а) галогенная ИК-лампа накаливания КГМ 30/300; б) керамический ИК-нагреватель Elstein SHTS/4

Рис. 2. ИК-нагреватели:
а) галогенная ИК-лампа накаливания КГМ 30/300;
б) керамический ИК-нагреватель Elstein SHTS/4

Цель моделирования в пакете SolidWorks — получение распределения тепла на плате и установленных поверхностно монтируемых компонентах, подверженных ИК-­нагреву. В качестве источников ИК-­нагрева выбраны галогенная лампа накаливания КГМ 30/300 (ближняя ИК-­область спектра) и керамический ИК-­наг­реватель типа SHTS/4 (рис. 2) фирмы Elstein [9] (средняя ИК-­область). Характеристики данных нагревателей приведены в таблице 1.

Таблица 1. Основные характеристики ИК-нагревателей

 

КГМ 30/300

SHTS/4

Длина волны, мкм

0,7–1,5

2–10

Максимальная интенсивность излучения, кВт/м2

34,6

76,8

Рабочая температура, К

900

1130

Мощность, Вт

300

300

Напряжение питания, В

30

220

Габаритные размеры, мм

50×12×12

60×60×30

Моделирование распределения температуры по поверхности печатной платы выполнено в программном пакете SolidWorks 2012. Для расчета были заданы одинаковые для двух типов нагревателей исходные и граничные условия, а также характеристики нагревателей для каждого в отдельности.

Температурно-временные зависимости при различных расстояниях до платы:  а) ИК-лампа КГМ 30/300; б) керамический ИК-нагреватель Elstein SHTS/4

Рис. 3. Температурно-временные зависимости при различных расстояниях до платы:
а) ИК-лампа КГМ 30/300;
б) керамический ИК-нагреватель Elstein SHTS/4

Окружающая среда — воздух в нормальных условиях. В качестве модели использовалась 4‑слойная печатная плата с габаритными размерами 40 × 40 мм и с установленными на ней компонентами в корпусах BGA, QFP и SMD — 0805, 1206, 1210. Расстояние от нагревательных элементов до платы изменялось в пределах от 10 до 30 мм. В результате моделирования получены температурно-временные зависимости (рис. 3) и тепловые поля на поверхности электронного модуля (рис. 4). Из температурно-­временных зависимостей следует, что с увеличением расстояния до платы скорость нагрева снижается в 2 раза на каждые 10 мм для ламповых и в 1,5 для керамических ИК-­нагревателей.

Тепловые поля на поверхности электронного модуля: а) галогенная ИК-лампа накаливания КГМ 30/300; б) керамический ИК-нагреватель Elstein SHTS/4

Рис. 4. Тепловые поля на поверхности электронного модуля:
а) галогенная ИК-лампа накаливания КГМ 30/300;
б) керамический ИК-нагреватель Elstein SHTS/4

Анализ тепловых полей (рис. 4а) показал, что для галогенной ИК-­лампы накаливания КГМ 30/300 неравномерность прогрева печатной платы составила 34–36%, основной нагрев сосредоточен в центре, где достигается температура +200…+205 °C, тогда как к краям не превышает +140 °C. На корпусах установленных компонентов неравномерность температуры достаточно значительна и находится в пределах 26–44%.

Для керамического ИК-­нагревателя Elstein SHTS/4 (рис. 4б) неравномерность нагрева печатной платы составляет всего 3–4%, температура корпусов поверхностно монтируемых компонентов отличается от температуры печатной платы: BGA на 28–32 °C, QFP — на 24–26 °C и SMD — на 5–20 °C.

Для керамического нагревателя исследована неравномерность распределения тепла на различных компонентах в зависимости от расстояния от нагревателя до печатной платы (табл. 2).

Таблица 2. Неравномерность нагрева электронных компонентов,%

 

L = 10 мм

L = 20 мм

L = 30 мм

Печатная плата

7–9

5–7

5–7

BGA

5–7

3–5

3–5

QFP

4–6

3–5

3–5

SMD

6–8

3–5

3–5

 

Экспериментальное исследование

Экспериментальное исследование тепловых полей проведено на лабораторном макете (рис. 5), в состав которого входили блок питания, измеритель температуры, источник инфракрасного нагрева. Инфракрасный нагреватель устанавливался на высоте 10 мм от поверхности платы. Измерения температуры нагрева в различных точках печатной платы проводились с шагом 5 мм по осям X, Y по времени до фазового перехода припоя [10].

Схема исследования ИК-нагрева

Рис. 5. Схема исследования ИК-нагрева:
1 — плата;
2 — термопара;
3 — рефлектор;
4 — ИК-нагреватель;
5 — блок питания;
6 — измеритель температуры

Форма изотерм тепловых полей галогенной лампы накаливания (рис. 6а) свидетельствует о невысокой неравномерности процесса пайки, где максимальная скорость нагрева, равная 20–22 °C/с, зафиксирована на площади 120 мм2. Керамический ИК-­нагреватель (рис. 6б) характеризуется высокой равномерностью нагрева, но его применение привело к снижению в 5–7 раз скорости нагрева в сравнении с ИК­-лампой — до 3–4 °C/с.

Тепловые поля скорости ИК-нагрева, °C/с: а) КГМ 30/300; б) Elstein SHTS/4

Рис. 6. Тепловые поля скорости ИК-нагрева, °C/с:
а) КГМ 30/300;
б) Elstein SHTS/4

Анализ термопрофилей пайки корпусов BGA ИК­-нагревателем Elstein SHTS/4 (рис. 7) для расстояний 10 и 30 мм показал, что при увеличении расстояния в 3 раза скорость нагрева увеличилась в 2–2,5 раза.

Термопрофили пайки керамическим ИК-нагревателем Elstein SHTS/4 припоем ПОС61

Рис. 7. Термопрофили пайки керамическим ИК-нагревателем Elstein SHTS/4 припоем ПОС61:
1 — 10 мм, 2 — 30 мм

 

Заключение

Анализ моделей тепловых полей показывает, что для галогенной ИК-­лампы накаливания КГМ 30/300 неравномерность нагрева печатной платы составила 34–36%, а на корпусах установленных компонентов неравномерность температуры — 26–44%. Для керамического ИК-­нагревателя Elstein SHTS/4 неравномерность нагрева печатной платы составляет 3–4%, температура корпусов SMD­компонентов отличается от температуры печатной платы: BGA — на 28–32 °C, QFP — на 24–26 °C и SMD — на 5–20 °C.

Форма экспериментальных изотерм нагрева галогенной лампы накаливания свидетельствует о невысокой неравномерности процесса пайки, где максимальная скорость нагрева, равная 20 °C/с, сосредоточена на площади 120 мм2. Керамический ИК-­нагреватель имеет более высокую равномерность нагрева, но его применение в 5–7 раз снижает скорость нагрева в сравнении с ИК-­лампой, которая составила 3–4 °C/с.

Для галогенной ИК­-лампы характерна большая на 70–74% скорость нагрева в сравнении с керамическими нагревателями, что дает основание для выбора данного источника как основного нагревательного элемента в автоматизированных линиях с высокой производительностью.

Применение керамических ИК-­источников среднего диапазона оптимально в ИК-­системах, предназначенных для ремонта изделий с SMD­компонентами, поскольку для них требуется высокая равномерность нагрева поверхности изделия во время проведения монтажных работ, а за счет увеличения времени нагрева снижаются термические напряжения в объеме компонентов изделия.

Литература
  1. Gibbs R. A Guide to Infrared Rework on BGAs // SMT 2009. May/June.
  2. Научно­технический центр «Магистр». www.magistr.su
  3. AOYUE 710 Focused Infrared Welding System. www.toolboom.com
  4. Джюд М., Бриндли К. Пайка при сборке электронных модулей. М.: Издательский Дом «Технологии», 2006.
  5. Смирнов В. В. Метод конечных элементов. Бийск: Изд-­во Алт. гос. ун­та, 2001.
  6. Прахт В. А., Дмитриевский В. А., Сарапу­лов Ф. Н. Моделирование тепловых и электромагнитных процессов в электротехнических установках. М.: ФОРУМ: ИНФРА­М, 2005.
  7. Медведев А. М. Сборка и монтаж электронных устройств. М.: Техносфера, 2007.
  8. OSTEC 3D CAD Design Software SOLID­WORKS. www.solidworks.com
  9. Керамические инфракрасные нагреватели. www.symmetron.ru
  10. Ланин В. Л., Лаппо А. И. Тепловые поля инфракрасных источников нагрева для монтажа электронных компонентов // Материалы Белорусско-­Китайского молодежного инновационного форума «Новые горизонты 2014». 3–4 декабря 2014. Минск, БНТУ.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *