Jak se mikroobvody pájejí v továrně

Proces pájení mikroobvodů je jednou z klíčových fází výroby elektroniky. Právě tímto procesem jsou čipy připojeny k desce plošných spojů a zajišťují správné fungování zařízení. V tomto článku se budeme zabývat hlavními metodami a technologiemi pájení mikroobvodů používaných ve výrobě.

Jednou z nejběžnějších metod pájení je povrchová montáž (SMT – Surface Mount Technology). Touto metodou jsou mikroobvody upevněny na speciálních platformách (šablony pro porovnávání pasty) desky s plošnými spoji. PCB pak prochází pájecí pecí, kde vysoká teplota roztaví pájecí pastu a připojí ji k desce. V tomto případě jsou mikroobvody připojeny k vodičům desky s plošnými spoji a tvoří spolehlivé elektrické kontakty.

Další běžnou metodou pájení je montáž skrz díru (THM). U této metody mají čipy výstupní vývody (kolíky), které jsou provrtány otvory v desce plošných spojů. Tyto kolíky jsou následně připájeny k zadní straně desky, aby bylo zajištěno bezpečné spojení. Po pájení se vývody obvykle oříznou a zarovnají. Osazení THM se používá tam, kde je požadováno obzvláště spolehlivé elektrické spojení mezi čipem a deskou plošných spojů.

Pájení mikroobvodů ve výrobě tedy zahrnuje několik metod a technologií, které zajišťují správný a spolehlivý provoz elektronických zařízení. Použití technologie povrchové montáže (SMT) a výroby průchozích otvorů (THM) umožňuje vysoký stupeň automatizace a použití různých typů čipů v různých zařízeních.

Je však třeba poznamenat, že technologie pájení čipů se neustále zdokonalují a dnes existují i ​​jiné metody, jako je mikrovlnné a infračervené pájení, které umožňují spojování čipů při nižších teplotách a zkracují dobu výroby. S rozvojem technologií mikronanoelektroniky se navíc stávají populární metody jako bezpájená montáž a nanopájení, které umožňují vytvářet kompaktní a vysoce integrovaná zařízení.

Povrchové pájení

Proces pájení SMT zahrnuje následující kroky:

1. Příprava povrchu desky: Před zahájením pájení je nutné zajistit, aby byl povrch desky čistý, aby se eliminovalo případné znečištění, které by mohlo vést k nekvalitním spojům.

2. Nanášení pájecí pasty: Na povrch desky se nanese speciální pájecí pasta sestávající z tavidla a pájecí slitiny. Pasta se na desku nanáší pomocí šablony nebo automatizovaného pájecího stroje.

3. Umístění součástí: Na desce jsou umístěny mikroobvody a další součástky. Typicky se k tomuto účelu používají automatické vnořovače komponentů, které je přesně a rychle umístí do požadovaných pozic.

4. Pájení součástek: Deska s na ní umístěnými součástkami prochází pájecí pecí, kde se pájka roztaví a spojí součástky s povrchem desky. Během tohoto procesu tavidlo spálí oxidy a pájecí slitina vytvoří pevný a odolný spoj.

5. Čištění a kontrola: Po pájení prochází deska procesem čištění, aby se odstranily zbytky tavidla a další nečistoty. Poté prochází kontrolou, kde se kontroluje kvalita pájení a spojů součástek.

Pájení pro povrchovou montáž je široce používáno ve výrobě elektroniky, protože umožňuje zvýšenou hustotu součástek na desce, zlepšuje výkon a spolehlivost produktu. Šetří také čas a zdroje, protože mnoho kroků výrobního procesu lze automatizovat.

Pravidelná aktualizace dovedností a využívání moderních technologií pomáhá výrobcům zajistit vysokou kvalitu a konkurenceschopnost v elektronickém průmyslu.

Tradiční vlnové pájení

Tradiční proces pájení vlnou začíná nanášením pájecí pasty na desku s plošnými spoji. Poté se na desku umístí součástky, které je třeba připájet. Deska se zahřeje a pájecí pasta se roztaví, což způsobí spojení součástek s deskou.

Hlavním nástrojem tradičního pájení vlnou je pájecí vlna. Je to proud roztavené pájecí pasty, který se pohybuje po desce s plošnými spoji. Vlna vzniká zahříváním speciálně vybrané slitiny, obvykle obsahující cín a olovo.

Před pájením je důležité správně nastavit pájecí vlnu. Regulují se parametry jako teplota ohřevu, rychlost vlny a hloubka ponoření desky do vlny. Nastavení se provádí v závislosti na požadavcích konkrétní desky.

Mezi výhody tradičního vlnového pájení patří vysoká produktivita, přesnost a spolehlivost spojení. Tato metoda má však i některé nevýhody. Vystavení vysokým teplotám může poškodit některé součásti na desce. Kromě toho použití olova a cínu obsažených ve slitině neodpovídá normám ochrany životního prostředí.

Tradiční vlnové pájení je tedy jednou z nejběžnějších metod pájení integrovaných obvodů. Jeho použití vám umožní poradit si s pájením velkého objemu součástek a zajistit vysokou přesnost a produktivitu. Je však nutné počítat s některými nevýhodami této metody a zajistit dodržování ekologických norem při použití pájecí pasty s olovem a cínem.

Infračervené pájení

Pro infračervené pájení se používají speciální pájecí stanice vybavené infračervenými zářiči. Infračervené záření je generováno ve specifickém spektru, což umožňuje účinné a rovnoměrné zahřívání povrchu mikroobvodu a pájení. Pro určité typy čipů lze použít speciální masky, které směrují infračervené záření pouze do oblastí potřebných pro pájení.

Hlavní výhodou infračerveného pájení je možnost rovnoměrného ohřevu, což pomáhá zabránit přehřátí a poškození mikroobvodu. Tato metoda také umožňuje zkrátit dobu pájení, protože ohřev probíhá rychle a rovnoměrně.

Infračervené pájení má však také svá omezení. Některé typy součástek mohou být například citlivé na vysoké teploty a použití infračerveného pájení je může poškodit. Také některé složité návrhy IC mohou vyžadovat složitější pájecí techniky, aby bylo zajištěno spolehlivé spojení.

Infračervené pájení je jednou z důležitých metod při výrobě mikroobvodů. Poskytuje efektivní a rychlé připojení komponent, což pomáhá zlepšit výkon a spolehlivost mikroobvodových zařízení.

Vakuové pájení

Vakuové pece se používají k vytvoření podmínek bez vzduchu nebo plynu kolem pájených povrchů. Tím se eliminuje oxidace a tvorba plynových bublin v pájených spojích.

Proces vakuového pájení zahrnuje následující kroky:

1. Příprava povrchů k pájení: musí být očištěny od nečistot a oxidů.
2. Aplikace pájecí pasty nebo pájky na povrchy mikroobvodů a substrátů.
3. Montáž mikroobvodů a substrátů k vytvoření požadované struktury.
4. Umístění konstrukce do vakuové pece a vytvoření podmínek bez plynu.
5. Zahřátí struktury na určitou teplotu, při které se pájecí pasta roztaví a spojí s povrchy mikroobvodů a substrátů.
6. Chlazení konstrukce na pokojovou teplotu.

Výhodou vakuového pájení je vysoká spolehlivost a pevnost výsledných spojů, minimální pronikání plynu mezi pájené plochy a absence oxidace během pájecího procesu. Tato metoda pájení se však vyznačuje dlouhým procesem a vyžaduje speciální vybavení, což ji činí nákladnou.

Přetavovací pájení

Hlavní fáze pájení přetavením jsou:

1. Příprava desky a součástek: V této fázi se deska a součástky určené k pájení důkladně očistí od nečistot, prachu a mastnoty, aby byl zajištěn dobrý kontakt.
2. Nanášení pájecí pasty: pájecí pasta se nanáší na desku plošných spojů pomocí šablony nebo speciálního zařízení. Pájecí pasta obsahuje slitinu, která se při zpracování mění na tavnou kapalinu a zajišťuje pájení.
3. Umístění komponentů: Komponenty jsou pak umístěny na desce podle daného designu a požadavků.
4. Přetavení: Deska plošných spojů se součástkami je vystavena vlnám tavitelné pasty, která proudí přes celou desku plošných spojů a umožňuje pájení všech součástek současně.
5. Chlazení: Po pájení se deska ochladí, aby pájecí slitina ztvrdla a stala se trvalou vazbou.

Pájení přetavením zajišťuje kvalitní a spolehlivé připojení součástek k desce plošných spojů. Je široce používán ve výrobě elektroniky a může snížit čas a úsilí potřebné k pájení mikroobvodů ve výrobě.

Je důležité si uvědomit, že pájení přetavením vyžaduje přesné nastavení procesních parametrů, aby se předešlo problémům, jako je nesprávný kontakt, nadměrné teplo nebo vady pájky. Proto použití přetavovacího pájení ve výrobě vyžaduje zkušené specialisty a pečlivou kontrolu procesu.

Výsledkem je, že pájení přetavením je nedílnou součástí procesu výroby mikroobvodů. Umožňuje efektivní a spolehlivé spojování součástek a desek plošných spojů a zajišťuje kvalitní a stabilní provoz hotových výrobků.

Pájení vlnou

Proces pájení vlnou se skládá z několika fází. Nejprve se na povrch plošného spoje, na kterém jsou umístěny mikroobvody, nanese pájecí pasta. PCB pak prochází vlnovou pecí, kde se pájecí pasta zahřeje na určitou teplotu.

Po zahřátí přechází pájecí pasta do kapalného stavu a taví. Poté je pájení dodáváno ve formě roztavené pájky, která je rovnoměrně rozložena na kontaktních místech mikroobvodů s deskou plošných spojů.

Dále se pájení ochladí a ztuhne, během čehož jsou mikroobvody upevněny k desce s plošnými spoji. Všechny tyto fáze probíhají automaticky a umožňují pájení velkého množství mikroobvodů v krátkém čase.

Pájení vlnou má za následek spolehlivé a kvalitní připojení mikroobvodů k desce plošných spojů. Tato metoda je široce používána ve výrobě elektroniky a šetří čas a úsilí při pájení mikroobvodů.

Jak správně pájet?

Než začnete zvažovat otázku: “Jak správně pájet?” Je potřeba konstatovat jednu věc.

Pájení může být různé. Musíte pochopit, že je velký rozdíl v metodě připájení statného 2wattového rezistoru na běžnou desku plošných spojů a například BGA čipu na vícevrstvou desku s plošnými spoji mobilního telefonu.

Pokud si v prvním případě vystačíte s jednoduchou 40wattovou elektrickou páječkou, pevnou kalafunou a pájkou, pak ve druhém případě budete muset použít zařízení, jako je horkovzdušná stanice, tavidlo, pájecí pasta , šablony a případně spodní ohřívací stanice pro desky.

Jak vidíte, rozdíl je značný.

V každém konkrétním případě musíte zvolit metodu pájení, která je nejvíce vhodné pro konkrétní typ instalace. Pro pájení mikroobvodů v planárním obalu je tedy lepší použít horkovzdušné pájení a pro instalaci běžných výstupních rezistorů a velkorozměrových elektrolytických kondenzátorů se vyplatí použít kontaktní pájení elektrickou páječkou.

Podívejme se na nejjednodušší pravidla konvenčního kontaktního pájení.

Pro začátek stačí, aby začínající radioamatér zvládl klasické kontaktní pájení s nejjednodušší a nejlevnější elektrickou páječkou s měděným hrotem.

Nejprve je třeba připravit minimální pájecí sadu a pájecí nástroj. Jak připravit elektrickou páječku k použití již bylo diskutováno v článku o přípravě a péči o páječku.

Mnoho lidí se domnívá, že pro pájení je lepší použít páječku s nehořlavým hrotem. Na rozdíl od měděného hrotu, neblednoucí hrot nevyžaduje pravidelné ostření a pocínování, protože na jeho povrchu nevznikají žádné prohlubně – dutiny.

Vypálený hrot páječky
(pro přehlednost je měděný hrot předem zpracován pilníkem).

Fotografie ukazuje, že okraj měděného hrotu je nerovný a výsledné prohlubně jsou vyplněny zmrzlou pájkou.

Nehořlavý hrot široce používaných páječek má zpravidla kuželovitý tvar. Takový hrot není smáčen roztavenou pájkou, to znamená, že jej nelze použít k nanesení pájky na hrot. Při práci s takovou páječkou se pájka dodává na místo pájení pomocí pájky z tenkého drátu.

Je jasné, že použití pájky v kusech nebo tyčích při pájení páječkou s nehořlavým hrotem je obtížné a nepohodlné. Proto pro ty, kteří se chtějí naučit pájet, je lepší začít svou praxi s běžnou elektrickou páječkou s měděným hrotem. Nevýhody jeho použití jsou snadno kompenzovány takovými vymoženostmi, jako je snadnost použití pájek v libovolném provedení (drátek, tyč, hrudka atd.), Možnost změny tvaru měděného hrotu.

Elektrická páječka s měděným hrotem je pohodlná, protože se s ní dá snadno změřit množství pájky, kterou je potřeba donést na místo pájení.

Čistota pájených ploch. Prvním pravidlem kvalitního pájení je čistota pájených ploch. I u nových rádiových komponent zakoupených v obchodě jsou terminály pokryty oxidy a nečistotami. Ale tyto drobné nečistoty jsou zpravidla odstraněny tavidlem, které se používá při procesu pájení. Pokud je zřejmé, že jsou svorky rádiových součástek nebo měděných vodičů silně znečištěné nebo pokryté oxidem (nazelenalé nebo tmavě šedé), je třeba je před pájením očistit buď kapesním nožem nebo brusným papírem. To platí zejména v případě, že se při montáži elektronického zařízení používají použité rádiové komponenty. Na jejich koncovkách se obvykle tvoří tmavý povlak. Jedná se o oxid, který narušuje pájení.

Dále, pohybem po drátu, rozdělujeme roztavenou pájku po povrchu vodiče a snažíme se zahřát samotný vodič co nejlépe a rovnoměrně. Zároveň se hrudková kalafuna roztaví a vlivem teploty se začne odpařovat. Na povrchu vodiče by se měl vytvořit rovnoměrný povlak cíno-olověné pájky bez hrudek nebo pelet.
Pocínování měděného drátu Roztavená kalafuna pomáhá snižovat povrchové napětí roztavené pájky a zlepšuje smáčivost pájených povrchů. Díky tavidlu (v tomto případě kalafuně) je vodič rovnoměrně potažen tenkou vrstvou pájky. Tavidlo také pomáhá odstraňovat nečistoty a zabraňuje oxidaci povrchu vodičů při jejich zahřívání páječkou.
Zahřátí hrotu páječky na provozní teplotu. Před zahájením pájení musíte elektrickou páječku zapnout a počkat, až se její hrot dobře zahřeje a její teplota dosáhne 180 – 240°C. Protože běžná páječka nemá údaj o teplotě hrotu, můžete posoudit, zda je hrot dostatečně zahřátý varem kalafuny. Pro kontrolu je třeba se nahřátým hrotem krátce dotknout kousku kalafuny. Pokud se kalafuna dobře neroztaví a pomalu se rozlévá po hrotu páječky, pak ještě není zahřátá. Pokud se kalafuna vaří a uvolňuje se hojná pára, je páječka připravena k použití.

Také při pájení různých rádiových součástek byste měli věnovat pozornost oblasti pájených povrchů. Čím větší je plocha vodiče, například měděná dráha na desce s plošnými spoji, tím výkonnější by měla být páječka. Při pájení dochází k přenosu tepla a kromě samotného místa pájení ke kolaterálnímu ohřevu rádiové součástky nebo desky plošných spojů.

Pokud dochází k výraznému odvodu tepla z místa pájení, není možné místo pájení dobře zahřát páječkou s nízkým výkonem a pájka se velmi rychle ochladí a změní se na sypkou hmotu. V tomto případě je třeba buď déle pájené plochy zahřívat (což není vždy možné nebo nevede k požadovanému výsledku), nebo použít výkonnější páječku.

Pro pájení malých rádiových prvků a desek plošných spojů s hustou instalací je lepší použít páječku s výkonem nejvýše 25 wattů. Typicky se v radioamatérské praxi používají páječky s výkonem 25 – 40 wattů napájených ze sítě střídavého proudu 220 voltů. Při použití elektrické páječky stojí za to Pravidelně kontrolujte neporušenost izolace napájecího kabelu, protože během provozu dochází k častým případům jeho poškození a náhodného roztavení zahřátými částmi páječky.

Při pájení nebo odpájení rádiové součástky z plošného spoje je vhodné hlídat dobu pájení a v žádném případě plošný spoj a měděné stopy na jeho povrchu nepřehřívat nad 280°C.

Pokud se deska přehřeje, může se v místě ohřevu zdeformovat, dojde k delaminaci nebo bobtnání a vytištěné stopy se v místě ohřevu odlepí.

Teploty nad 240-280 °C jsou kritické pro většinu radioelementů. Přehřátí rádiových součástek při pájení může způsobit jejich poškození.

Při pájení dílů je velmi důležité je pevně upevnit. Pokud tak neučiníte, jakékoli vibrace nebo pohyb zničí kvalitu pájky, protože pájce trvá několik sekund, než ztvrdne.

K efektivnímu pájení dílů „za chodu“ a zabránění posunu nebo vibracím, zatímco pájený kontakt chladne, můžete použít zařízení, kterému se v každodenním životě radioamatérů říká „třetí ruka“.

Takto jednoduché zařízení vám nejen umožní snadno a bez větší námahy pájet díly, ale také eliminuje popáleniny, které mohou vzniknout, pokud budete díly při pájení držet rukou.

“Třetí ruka” v práci

Bezpečnostní opatření při pájení.

Během procesu pájení je docela snadné se popálit, i když malé. Nejčastěji dochází k popálení prstů a rukou. Příčinou popálenin bývá spěch a špatná organizace pracoviště.

Je třeba si uvědomit, že během procesu pájení byste na páječku neměli vyvíjet velkou sílu. Nemá smysl jej tisknout na plošný spoj v naději, že rychle roztavíte pájecí kontakt. Musíte počkat, dokud teplota v místě pájení nedosáhne požadované teploty. V opačném případě může hrot páječky sklouznout z desky a náhodně se dotknout vašich prstů nebo dlaně horkým kovem. Věřte mi, popáleniny se hojí velmi dlouho!

Měli byste také dávat oči mimo oblast pájení. Není neobvyklé, že při přehřátí se vytištěná stopa na desce odlupuje s charakteristickým bobtnáním, což vede k rozstřikování drobných kapiček roztavené pájky. Pokud máte ochranné brýle, měli byste je používat. Jakmile získáte dostatečné zkušenosti s pájením, můžete upustit od ochranných brýlí.

Je vhodné provádět pájení v dobře větraném prostoru. Výpary olova a kalafuny jsou zdraví škodlivé. Pokud není možné místnost vyvětrat, měli byste si mezi prací dělat přestávky.