Tehnologii de realizare a lipiturilor in electronica

Tehnologii de realizare a lipiturilor in electronica

Generalitati. Procedee de lipire

In electronica, o mare diversitate de elemente se asambleaza prin lipire: conductoare filare (intre ele, pe terminale / pini, pe conductoare imprimate, pe sasie, carcase etc.), componente electronice montate "in gauri" pe cablaje imprimate, componente montate pe suprafata, piese metalice de variate forme si dimensiuni (distantiere, elemente de fixare/rigidizare, table etc.).

Procedeul de lipire se alege/adopta in functie de "ce se lipeste, unde si cand se lipeste" - componente electronice - la asamblare sau la depanare, cu montarea in gauri sau pe supra-fata cablajelor imprimate etc.; conductoare filare masive sau multifilare - la formarea capete­lor sau la imbinare etc.

In cea mai generala clasificare, procedeele de lipire pot fi:3

- manuale, utilizate destul de frecvent la asamblare si intotdeauna la depanare;

- automate, utilizate numai la asamblare si de regula la lipirea pe cablaje imprimate.

Dupa modul in care se face aportul de aliaj de lipit, lipirea se poate face:

cu ciocanul de lipit (intotdeauna manuala);

- prin imersie in bai de lipire statice;

- in val (intotdeauna in instalatii mai mult sau mai putin automate);

- prin retopire (reflow), procedeu care presupune depunerea aliajului pe suprafetele de lipit inainte de incalzirea pentru lipire; in functie de modalitatea de depunere a aliajului (preforme sau paste de lipit) si de procedeul de incalzire (prin contact, cu radiatii infrarosii, cu aer cald, in faza de vapori, cu laser etc.), exista o mare varietate de tehnici tip "reflow" in cele ce urmeaza se vor expune procedeele de lipire utilizate la asamblarea circuitelor electronice, in special pe cablaje imprimate; unde va fi cazul se vor face referiri si la asamblarea altor elemente.

- se cufunda placa in aliaj, se mentine cat este necesar sa se realizeze lipiturile (timpul se stabileste experimental), apoi se extrage;

- urmeaza controlul vizual al lipiturilor si indepartarea defectelor (scurtcircuite, turturi, zone nelipite .

Lipirea prin retopire (reflow)

Generalitati.Clasificarea tehnologilor tip "reflow"

Tehnicile de lipire prin retopire s-au dezvoltat si diversificat odata cu raspandirea utilizarii dispozitivelor montate pe suprafata (SMD), pentru lipirea carora metodele in bai si val nu sunt adecvate.

Lipirea prin retopire (reflow) presupune retopirea aliajului depus pe suprafetele de lipit inainte de incalzire; in timpul lipirii nu se realizeaza aport de aliaj. Evident, procesul lipirii are loc in prezenta fluxului, de regula depus odata cu aliajul, deci inaintea incalzirii.

Fig. 1. Componente cu montare pe supratfata (SMD) si plasare pe cablaj: a - rezistor MELF (Metal

ELectrode Faced); b - rezistor placheta; c - tranzistor; d - filtru cu unda de suprafata (SAW Filter);

e - circuit integrat; f, g - plasarea unui rezistor si a unui circuit integrat pe placa de cablaj

In prezent, foarte frecvent, pentru lipirea prin retopire se foloseste aliaj si flux sub forma de pasta de lipit , depusa in strat subtire pe conductoarele imprimate, in punctele de lipire. Uneori (destul de rar) se folosesc preforme plasate in punctele de lipire. Piesele se plaseaza pe cablaj, pe una sau ambele fete, cu terminalele usor apasate pe stratul de pasta umeda (sau pe preforma), fiind mentinute in pozitiile fixate prin insusirile adezive ale pastei de lipit sau, cum se procedeaza frecvent, din motive evidente, cu cate o picatura de adeziv plasata sub corp (capsula) -fig. 1. Zonele de lipire sau intregul ansamblu sunt apoi incalzite pana la temperatura de lipire.

Obligatoriu, terminalele si conductoarele imprimate sunt precositorite (galvanizate) in zonele de lipire.

Tehnologiile de lipire prin retopire se pot grupa, dupa modul in care se face incalzirea pentru lipire, in doua categorii:

cu incalzire locala, la locul lipirii; terminalele se lipesc unul cate unul, in grupuri sau toate in acelasi timp, in functie de modalitatea concreta de incalzire;

cu incalzire globala, a intregului ansamblu (suport, conductoare, piese). In fiecare categorie exista diverse tehnici - tabelul 1.

Lipirea prin retopire presupune, ca prima etapa, depunerea pastei de lipit si eventual, a adezivului; apoi sunt parcurse mai multe etape: preincalzirea, uscarea fluxului, retopirea alia­jului de lipit si racirea, in fiecare etapa temperatura trebuie sa varieze in timp cu anumite vite­ze, intre anumite valori; graficul variatiei in timp al temperaturii reprezinta profilul termic, o caracteristica esentiala a procesului.

Tabelul 1 Tehnici de lipire prin retopire.

2. Depunerea pastei de lipit Inaintea procesului de lipire propriu zis, se procedeaza la depunerea pastei de lipit si, eventual, a adezivului.

Exista o varietate de procedee de depunere, de la cele mai simple - prin imersia termi­nalelor in baie cu pasta pana la sisteme controlate prin calculator, cu vizualizare pe monitor a regiunii de depunere.  Depunerea pastei de lipit prin transfer pe terminale, se face prin imersia terminalelor pieselor (sau a marginilor placilor, daca este cazul), in rezervoare cu pasta de lipit; apoi, piesele se aseaza pe placi in pozitiile de lipire. Cantitatea depusa este controlabila destul de aproximativ, prin viscozitatea pastei, prin forma si dimensiuni. Depunerea, pastei de lipit sub presiune se realizeaza in mai multe variante: cu seringa, cu pompa sau cu dispozitiv melcat (surub Arhimede).

Foarte utilizate sunt sistemele semi-automate: deplasarea dispozitivului se face sub comanda operatorului care vizualizeaza zona de lucru (mult marita) pe ecranul unui monitor iar la comanda manuala a depunerii, sistemul asigura plasarea tubului la distanta potrivita si actionarea dispozitivului de impingere a pastei; asemenea sisteme sunt foarte productive si asigura depuneri de buna calitate.

Depunerea pastei de lipii prin serigrafie sau cu sablon se face astfel: se foloseste o masca serigrafica sau un sablon cu orificii neobturate in zonele de depu­nere, fixate pe rame potrivite. Placa de cablaj se fixeaza pneumatic pe masa masinii de impri­mat iar deasupra, la mica distanta se plaseaza rama cu masca serigrafica sau sablon; in rama se pune o cantitate de pasta care, prin deplasarea cu apasare a unei raclete, este fortata sa treaca prin orificiiterminalelor. Procedeul este avantajos in cazul pieselor cu foarte multe si apropiate terminale, care pot fi acoperite toate simultan. Operatiile pot fi executate manual (ieftin) sau automat. Cel mai important dezavantaj al procedeului consta in posibilitatea impurificarii pastei prin imersie repetata a terminalelor.

Mastile serigrafice se realizeaza exact ca in cazul imprimarii imaginii cablajelor imprimate, pe site serigrafice din fire de poliester sau otel.

De regula procedeul este folosit in instalatii cu grad inalt de automatizare, pentru pro­ductia de serie mare, pentru cablaje cu mare densitate de componente cu dimensiuni mici, astfel ca costurile mari ale utilajelor si de intretinerea sa fie justificate.

Depunerea adezivului, de regula rasini epoxidice, se face prin aceleasi procedee ca si a pastei, de regula pe suport (mai rar pe piese), sub forma de picaturi sau pelicule; de regula, conditiile sunt mult mai putin restrictive ca in cazul depunerii pastelor. Mult folosite sunt pom­pele cu presiune, tuburile cu deformare si procedeul serigrafic/cu sablon. Cantitatea necesara de adeziv depinde de marimea pieselor - pentru piese mari se depun mai multe picaturi sau suprafete mai mari. Peliculele sau picaturile trebuie sa aiba inaltime suficienta pentru ca sa faca contact bun cu piesele, pe suprafete destul de mari. in cazul picaturilor, forma depinde de natura adezivului.

3. Profilul termic la lipirea prin retopire

Dupa depunerea pastei si (eventual) a adezivului, in procesul lipirii, sunt parsurse mai multe etape in care temperatura trebuie sa varieze in timp cu anumite viteze, intre anumite limite, dupa o curba numita profil termic, o caracteristica esentiala a procesului complex de lipire. Un profil termic tipic arata ca in fig. 2..

Fig. 2. Profil termic tipic la lipirea prin retopire

Profilul termic include patru zone

-zona de preincalzire, in care temperatura creste lent, cu 2 - 4sC/sec, pana la 100 -150sC, pentru reducerea socului termic asupra componentelor; in acest timp are loc lichefierea fluxului si evaporarea solventilor din pasta de lipit;

zona de uscare (prelipire), in care are loc uscarea completa a pastei si se activeaza fluxul - incepe actiunea de curatare a suprafetelor;

-zona de retopire, in care fluxul isi accentueaza efectul de curatare iar aliajul se lichefiaza, umezeste suprafetele si se intinde; durata cat aliajul este lichid (uzual 30 - 60 sec.) este numita timp de umezire - un timp prea mare duce la formarea de compusi intermetalici, lipitura devine friabila; de obicei temperatura maxima depaseste cu ≈20sC temperatura de topire;

-zona de racire, in care se solidifica aliajul, in care temperatura nu trebuie sa scada prea repede deoarece pot apare crapaturi in aliaj (≈3sC/sec este satisfacator). Profilul termic se stabileste experimental, pe baza recomandarilor producatorilor de paste de lipit si de componente (SMD-uri). Evident, exista tolerante in respectarea curbei de variatie a temperaturii, dar de obicei acestea sunt destul de mici (de ordinul a 3 - 5% fata de curba ideala); se poate vorbi despre o ban­da admisa a profilului termic, in care trebuie sa se afle curba evolutiei temperaturii in timp - fig. 3. Daca abaterile sunt mari, apar consecinte negative, indicate in fig. 3.

Fig. 3. Banda admisa a profilului termic si consecintele nerespectarii regimului termic

4 Procedee de lipire prin retopire

Tehnicile utilizate in prezent pentru lipirea prin retopire sunt de o mare diversitate; in continuare se vor prezenta cele mai frecvent folosite. La baza procedeelor de lipire stau fenomenele de conductie termica si convectie termica. Conductia termica este procesul de transmitere a caldurii intre doua puncte sau zone din acelasi corp solid sau fluid sau intre doua corpuri diferite aflate in contact fizic direct, fara transport de substanta ( corpuri care se considera macroscopic imobile) si sub influenta unui gradient termic. Conductia termica se manifesta prin propagrarea unui flux termic din regiuni mai calde spre regiuni mai reci. Convectia termica reprezinta procesul de schimb de caldura intre un fluid si suprafata unui solid, cand acestea sunt in contact si au temperatura diferite.

- Lipirea prin conductie termica.   In aceasta tehnologie se foloseste un cap de incalzire, cu forma potrivita care se pune in contact cu terminalele in punctele de lipire si se apasa cu o forta redusa. Procedeul este foarte asemanator cu lipirea cu ciocanul, cu deosebirea ca pe capul (varful) de lipire nu se afla aliaj. Evident, procedeul poate fi aplicat manual, folosind ciocane de lipit de mica putere, termostatate, cu varfuri cu forme potrivite, in productia industriala se folosesc capete de incalzire cu forme variate, utilizabile pentru lipirea simultana a mai multor terminale,etc. iar procesul poate fi partial sau complet automatizat.

La aplicarea acestui procedeu, trei factori sunt esentiali: temperatura capului de lipire, durata incalzirii si forta de apasare; cu cat acestea sunt mai mici (in limitele admise), pericolul de avariere este mai mic dar si durata operatiilor este mai mare.

In cazul lipirii manuale, calitatea depinde de indemanarea operatorilor iar cand se folosesc masini capetele trebuie dirijate manual, curatate si este greu de asigurat o forta de apasare constanta. - Lipirea in faza de vapori. Acest procedeu face parte dintre tehnologiile cu transfer global al caldurii. In aceasta tehnica, placile, preincalzite la 100 -120sC, se introduc intr-o incinta cu vapori saturanti, deasupra unui lichid adus la fierbere. Evident, temperatura de fierbere a lichidului trebuie sa fie la valoarea temperaturii de lipire (210 - 240sC). Caldura se transfera ansamblului, in cea mai mare parte prin conden­sarea vaporilor pe placile relativ reci (acest transfer este foarte rapid, foarte eficient energetic) apoi prin convectie. Racirea, dupa extragerea placilor din incinta de lipire, trebuie facuta destul de repede, pentru a preveni formarea granulelor de aliaj care inca este lichid.

Lipirea in faza de vapori are multe avantaje:

Temperatura in incinta se mentine constanta, fara sisteme speciale (temperatura de fierbere si a vaporilor saturanti este constanta la presiune constanta). Fluidele utilizate au temperatura de fierbere de 215 - 220sC si placile nu pot fi supraincalzite iar lipirea se face mai rapid si la temperaturi mult mai joase decat in alte procedee (transferul caldurii, rapid si in cantitate suficienta, se datoreaza cedarii caldurii latente si nu diferentei de temperatura). Controlul perfect al temperaturii este cel mai mare avantaj al procedeului; nici o alta metoda nu asigura un control atat de bun si de simplu.

Impurificarea fluxului si aliajului, prin oxidare in principal, este total evitata, lipirea avand loc in atmosfera inerta. Ca urmare, se pot folosi fluxuri slab active sau inactive, in cantitati mici, care dau reziduuri putine si sunt usor de inlaturat. Lichidul in fierbe­re se impurifica putin si poate fi recirculat mult timp fara dificultati (in partea de sus a incintei este plasat un condensor racit cu apa sau aer). Un grad de impurificare subsista insa (mai ales in cazul fluxurilor "obisnuite") si periodic este necesara oprirea insta­latiei si curatarea lichidului (prin racire pentru precipitarea fluxurilor si filtrare).

Se pot face lipiri pe subansamble cu configuratii complicate, cu piese terminale foarte fine si apropiate (l,27 - 0,63mm), vaporii asigurand incalzirea intregului ansamblu;

Punerea in functie a instalatiei este foarte rapida - cateva minute (in alte procedee sunt necesare ore pana la atingerea regimului termic de lucru).

- Lipirea cu infrarosii. Lipirea cu radiatii infrarosii (IR - Infrared Radiations) se poate face:

• cu incalzire locala - fig. 5.a, focalizand radiatiile in punctele de lipire;
• cu incalzire globala - fig. 5.b, dirijand radiatiile asupra intregului ansamblu.

Lipirea cu IR este un procedeu foarte flexibil - fluxul radiat poate fi usor si precis controlat,

curat - zonele de lipire nu sunt in contact cu sursa de caldura, lipirea se poate face usor in atmosfera inerta (azot) iar costul echipamentelor si al intretinerii este relativ redus. Sursele de IR pot fi amplasate sus (convectia nu conteaza), jos sau si sus si jos (in ultimele doua cazuri convectia contribuie intr-o masura la incalzire, mai ales la preincalzire

Fig Principiul lipirii cu radiatii infrarosii: a - local, b - glogal

Principalul avantaj al lipirii cu IR focalizate consta in posibilitatea de a controla usor

si precis valoarea si distributia temperaturii, ceea ce permite lipirea in flux continuu a pieselor

dintr-un ansamblu in care se folosesc diferite paste sau preforme din aliaje cu puncte de topire

diferite. Procesul nu este rapid, deoarece caldura se aplica punctual.

Dezavantajele lipirii cu IR focalizate constau in: posibilitatea supraincalzirii si avarierii

pieselor, conductoarelor sau suportului, daca focalizarea nu se face exact in zonele de lipire.

In general, pozitionarea este dificila, pot apare zone "umbrite" in care IR nu ajung iar echipamentele necesare sunt complicate si scumpe si de aceea metoda este relativ rar utilizata.

Avantajele lipirii cu IR difuze - metoda cea mai folosita, constau in simplitatea echipamentelor,

reglajelor si intretinerii, usurinta modificarii conditiilor de lucru si in faptul ca in aceeasi instalatie se realizeaza si preincalzirea si lipirea.

Lipirea cu IR cu incalzire globala are mai multe dezavantaje, printre care:

• materialele au coeficienti de absorbtie diferiti si este posibil ca suportul sau unele piese

sa se incalzeasca mai mult decat zonele de lipire si pot apare "puncte fierbinti" (trebuie redusa vitezei de deplasare a placilor pentru uniformizarea temperatura);

• la lipirea placilor cu configuratii diferite (distributii diferite ale conductoarelor, pieselor,

culorilor etc.), pot apare diferente mari de absorbtie a IR si se impune modificarea regimului energetic al surselor;

• si in acest caz pot apare zone umbrite, puncte de lipire in care IR nu ajung

Cantitatea de caldura transmisa zonei de lipire depinde de fluxul de energie incident si

de coeficientii de absorbtie ai suprafetelor (o parte din energie este reflectata); fluxul incident depinde de sursa de IR (lungimea de unda a radiatiei, forma sursei), de dimensiunile, forma si coeficientul de reflexie al reflectoarelor si de coeficientul de absorbtie al mediului de propagare.

Se observa ca pentru a face procesul eficient, trebuie controlati multi parametri.

In functie de modul concret de furnizare a caldurii prin intermediul IR, procedeul se aplica in trei variante: cu lampi de IR, cu panouri generatoare de IR si in varianta combinata - IR si convectie

Tendinte si perspective in tehnologia de lipire prin retopire

Lipirea prin retopire a devenit, mai ales dupa 1990, o tehnica predominanta de lipire in industria electronica, avand avantajul esential de a aplica cantitatea necesara de caldura in locul necesar si in momentul necesar.

Aceste caracteristici permit lipirea pieselor mici, cu terminale subtiri. Tehnicile actuale asigura curent lipirea terminalelor distantate la 1,27mm (50mils=1/20inches), multe instalatii din productia de serie asigura si lipirea terminalelor la 0,635mm (25mils = 1/40inches), dar exista si instalatii pentru lipirea terminalelor la 0,5mm (20mils = 0,508mm)1.

Pentru lipirea terminalelor foarte subtiri se lucreaza la perfectionarea tehnicilor de lipire cu laser, dar si la introducerea altor procedee. Printre cele mai promitatoare, pare a fi tehnica lipirii cu micro-flacara, in care lipirea se face punctual, iar caldura provine de la o flacara obtinuta prin arderea butanului la iesirea unui ajutaj cu diametru mic. O alta tehnica in dezvoltare utilizeaza, pentru aportul punctual al caldurii, cabluri din fibra optica, cu lentile convergente la capat; sursa de caldura poate fi laser YAG sau o lampa cu Xenon.

O caracteristica a instalatiilor pentru depunerea pastei de lipit si pentru efectuarea lipirii consta in gradul inalt de automatizare (utilajele sunt practic roboti industriali) dar intotdeauna sub controlul operatorilor - zona de lucru este vizualizata, marita, pe ecranul monitoarelor TV, iar operatorul poate interveni oricand pentru corectarea operatiilor. Automatizarea totala este posibila, in prezent, numai la lipirea globala (cu IR sau in faza de vapori, de exemplu).