ВАКУУМНАЯ ИНФРАКРАСНАЯ ПЕЧЬ ДЛЯ ПАЙКИ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

Полезная модель относится к технологическому оборудованию для пайки печатных плат, а именно к печам оплавления, в которых нагрев припоя осуществляется с помощью инфракрасного (ИК) излучения, и может быть использована в опытном и мелкосерийном производстве.
Известно устройство для пайки электронных компонентов на печатную плату, содержащее ИК-излучатель, отражатель ИК-излучения из материала с высоким коэффициентом отражения по патенту RU 2516365. Применение бесконтактного ИК-нагрева припоя удобно в эксплуатации и позволяет достичь высокой оперативности и управляемости процесса пайки.
Главным недостатком известного устройства и всех других аналогов для пайки печатных плат в атмосферных условиях является неизбежное наличие в затвердевшем припое газовых пор и пустот, резко снижающих качество и долговечность паяных соединений. Причинами образования газовых пор и пустот могут быть: попадание воздуха между компонентами, влага и адсорбированные газы на поверхности платы и компонентов, летучие соединения, образованные в результате реакции флюса с окислами и нитридами на поверхности расплавленного припоя, и др.
Кардинальным путем повышения качества паяных соединений является организация процесса пайки в условиях вакуума, что резко снижает размеры и количество газовых пор и пустот.
Именно по этой причине большинство выпускаемых ведущими мировыми производителями установок для пайки печатных плат реализованы с использованием вакуумного способа пайки (оплавления припоя). Используемых способов нагрева припоя при этом существует достаточно много, но одним из самых удобных и наиболее точно воспроизводящих заданный температурный профиль процесса является ИК-нагрев с помощью специальных ИК-излучателей или ИК-ламп.
Так, например, один из известных производителей - компания Budatec (Германия) - выпускает вакуумную универсальную установку VS160S, которая может быть использована для пайки печатных плат. Характеристики и конструктивное выполнение установки VS160S раскрыто в статье А. Кантер. Вакуумная пайка - залог качественного паяного соединения // Технологии в электронной промышленности. - 2013. - №6. - С. 30-33. Это известное устройство является ближайшим аналогом предложенной вакуумной инфракрасной печи для пайки печатных плат и принято за прототип.
Известное устройство содержит корпус, рабочую камеру, выполненную с возможностью подключения к системе вакууммирования и газонаполнения, и к системе управления, рабочая камера содержит верхний (опционно) нагревательный узел, нижний нагревательный узел и узел позиционирования печатной платы между ними, верхний и нижний нагревательные узлы, соединены между собой с возможностью откидывания верхнего нагревательного узла и выполнены с возможностью вакуумно-плотного прилегания одного к другому. Каждый из нагревательных узлов содержит отражатель в виде лотка из металлического листа с зеркальной поверхностью и установленные в нем кварцевые трубчатые ИК-излучатели,
Особенностью известной вакуумной печи является применение технологии так называемой «холодной стенки», для реализации которой используется система водяного охлаждения стенок рабочей камеры с необходимыми для этого компонентами: водяным насосом, теплообменником, системой трубопроводов или постоянным подключением к водопроводной сети, сопровождающимся значительным расходом воды.
Другой особенностью известной печи является выполнение узла позиционирования печатной платы в виде металлического диска, нагреваемого кварцевыми ИК-излучателями, со специальными прижимами для фиксации печатной платы. Такое решение ограничивает применение известной печи лишь для плат с односторонним расположением компонентов и, кроме того, снижает достигаемую скорость протекания тепловых процессов из-за тепловой инерции, обусловленной теплоемкостью металлического диска.
Известная вакуумная ИК-печь при электрической мощности 6,5 кВт имеет рабочую область нагрева 160×160 мм. Конструкция установки - настольная.
Недостатками известной вакуумной печи являются ее конструктивная сложность, обусловленная наличием системы водяного охлаждения стенок рабочей камеры, и недостаточная универсальность, поскольку в ней возможна пайка печатных плат лишь с односторонним расположением компонентов.
Технический результат от использования предлагаемой вакуумной ИК-печи для пайки печатных плат заключается в упрощении конструкции за счет исключения системы принудительного водяного охлаждения стенок рабочей камеры, а также за счет изменения конструктивного выполнения узла позиционирования печатной платы.
В предлагаемом техническом решении ограничение температуры наружных стенок рабочей камеры осуществляется не с помощью системы принудительного водяного охлаждения, как это имеет место в прототипе, а технически совершенно другим путем, а именно уменьшением теплового потока на стенки рабочей камеры благодаря ее конструктивному выполнению, что в итоге привело к упрощению вакуумной ИК-печи в целом.
Указанный технический результат достигается тем, что в вакуумной ИК-печи для пайки печатных плат, содержащей корпус, смонтированную в нем рабочую камеру, выполненную с возможностью подключения к системе вакууммирования и газонаполнения и к системе управления, причем рабочая камера содержит верхний нагревательный узел, нижний нагревательный узел и узел позиционирования печатной платы между ними, верхний и нижний нагревательные узлы, соединены между собой с возможностью откидывания верхнего нагревательного узла и выполнены с возможностью вакуумно-плотного прилегания одного к другому, каждый из нагревательных узлов содержит отражатель в виде лотка из металлического листа с зеркальной поверхностью и установленные в нем кварцевые трубчатые ИК- излучатели, в каждом из нагревательных узлов в пространстве между отражателем и корпусом нагревательного узла установлен, по меньшей мере, один тепловой экран в виде лотка из металлического листа с зеркальной поверхностью, обращенной к отражателю, при этом зазоры между тепловым экраном и отражателем и между тепловым экраном и корпусом нагревательного узла составляют не менее 5 мм, а узел позиционирования печатной платы выполнен в виде двух опорных планок с возможностью их перемещения по направляющим параллельно плоскостям расположения кварцевых трубчатых ИК-излучателей.
Опорные планки могут быть выполнены с уступом для фиксации печатной платы.
Верхний и нижний нагревательные узлы могут быть соединены между собой газовыми упорами.
Полезная модель поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 показано объемное изображение открытой рабочей камеры в сборе с блоком управления и с установленной печатной платой, на фиг. 2 изображена рабочая камера в закрытом (рабочем) положении с частичным вырезом (печатная плата не показана).
Корпус предлагаемой вакуумной ИК-печи для пайки печатных плат выполнен в виде каркаса 1, внутри которого размещен блок управления 2 системы управления, а сверху размещена рабочая камера, состоящая из нижнего нагревательного узла 3, верхнего нагревательного узла 4 и узла позиционирования печатной платы.
Верхний нагревательный узел 4 крепится к нижнему нагревательному узлу 3 с помощью поворотных петель 5 и выполнен с возможностью откидывания на угол 50…60° для обеспечения свободного и удобного доступа к узлу позиционирования печатной платы. Плавность, удобство откидывания верхнего нагревательного узла 4 и удержание его в открытом положении обеспечиваются газовыми упорами 6, соединяющими верхний и нижний нагревательные узлы.
В закрытом состоянии рабочей камеры верхний и нижний нагревательные узлы соприкасаются между собой гладкими торцевыми поверхностями своих корпусов. В торцевой сопрягаемой поверхности верхнего нагревательного узла 4 выполнена замкнутая канавка, в которую уложен уплотнитель 7. Винтовые прижимные механизмы 8 обеспечивают прижатие верхнего нагревательного узла 4 к нижнему нагревательному узлу 3, благодаря чему реализуется вакуумно-плотное соединение и герметичность рабочей камеры в целом.
В нижнем нагревательном узле 3 размещен отражатель 9 (фиг. 2), выполненный в виде лотка из листовой нержавеющей стали с зеркальным слоем. В отражателе 9 размещен ряд кварцевых трубчатых ИК-излучателей 10, каждый из которых представляет собой кварцевую трубку с реостатной проволокой внутри. С помощью электрических выводов на концах кварцевой трубки ИК-излучатели 10 подключены к блоку управления 2 (на фигуре не показано). В конкретном примере реализации в нижнем нагревательном узле установлено шесть кварцевых трубчатых ИК-излучателей мощностью 500 Вт каждый.
В пространстве между отражателем 9 и корпусом нижнего нагревательного узла 3 установлен тепловой экран 11, выполненный в виде лотка из листовой нержавеющей стали с зеркальным слоем, обращенным в сторону отражателя 9. Величина зазора между тепловым экраном 11 и отражателем 9, а также между тепловым экраном 11 и корпусом нижнего нагревательного узла 3 в любом месте составляет не менее 5 мм. Вариант реализации с одним тепловым экраном 11, показанный на фиг. 2, не является исчерпывающим и при необходимости их количество может быть увеличено.
Верхний нагревательный узел 4 выполнен аналогично нижнему нагревательному узлу 3 и также содержит отражатель 12, ряд из шести кварцевых трубчатых ИК-излучателей 13 электрической мощностью 500 Вт каждый и тепловой экран 14.
В рабочей зоне вакуумной ИК-печи установлены термопарные датчики температуры (на фиг. не показаны), подключенные к блоку управления 2.
Узел позиционирования печатной платы реализован в виде двух опорных планок 15 (фиг. 1), выполненных с возможностью перемещения по цилиндрическим направляющим 16. для этого на концах опорных планок 15 установлены ползуны. Опорные планки 15 снабжены уступами (выборками), которые обеспечивают удобную установку и необходимую фиксацию обрабатываемой печатной платы 17, как это показано на фиг. 1.
Максимальные размеры устанавливаемой печатной платы составляют 300×300 мм.
Система вакуммирования и газонаполнения (на фигуре не показана) содержит вакуумный или форвакуумный насос, трубопроводы, сильфоны, электрические вакуумные клапаны, вакуумные клапаны с ручным приводом, датчик вакуума, источники технологических газов, например, баллоны с инертными газами. Компоненты системы вакууммирования и газонаполнения соединены между собой по типовой схеме, а вся система подключена к рабочей камере предлагаемой вакуумной ИК-печи для пайки печатных плат.
Система управления предлагаемой вакуумной ИК-печи для пайки печатных плат построена по типовой схеме и состоит из термопарных датчиков температуры, размещенных в рабочей зоне печи, датчика вакуума, установленного в системе вакууммирования и газонаполнения, и блока управления 2, содержащего плату управления с программируемым микроконтроллером и плату силовой коммутации. Схема электрических соединений обеспечивает подключение датчиков (вакуума и термопарных) к плате управления, а кварцевых трубчатых ИК-излучателей верхнего и нижнего нагревательных узлов - к плате силовой коммутации.
Подвод электропитания к кварцевым трубчатым ИК-излучателей верхнего и нижнего нагревательных узлов и подключение термопарных датчиков осуществляется с помощью гермовводов.
Предлагаемая вакуумная ИК-печь для пайки печатных плат работает следующим образом.
До начала работы проводятся подготовительные операции: рабочая камера открывается, для чего верхний нагревательный узел 4 откидывается на поворотных петлях 5 в верхнее положение и фиксируется в нем с помощью газовых упоров 6. Опорные планки 15 с ползунами на концах раздвигаются по гладким цилиндрическим направляющим 16 под размер обрабатываемой печатной платы с нанесенной паяльной пастой и с установленными компонентами. Печатная плата 17 устанавливается на уступы (выборки) опорных планок 15 и тем самым осуществляется ее позиционирование.
Затем рабочая камера закрывается путем опускания верхнего нагревательного узла 4 в нижнее положение вплоть до контакта с нижним нагревательным узлом 3, при этом газовые упоры 6 обеспечивают плавное опускание без значительных усилий. Вращением рукояток винтовых прижимных механизмов 8 производится поджатие верхнего нагревательного узла 4 к нижнему нагревательному узлу 3 и сжатие уплотнителя 7, в результате чего обеспечивается вакуумно-плотное соединение и рабочая камера в целом становится герметичной.
На этом подготовительные операции завершаются.
Затем на блоке управления 2 нажимается кнопка запуска рабочего цикла, и микроконтроллер платы управления начинает отработку запрограммированного алгоритма. Заложенный алгоритм предусматривает одновременное и взаимосвязанное протекание двух процессов в рабочей камере: управляемый нагрев\охлаждение печатной платы с нанесенной на нее паяльной пастой с заданной в программе скоростью (температурный профиль) и управляемое изменение давления и состава газовой смеси с заданной скоростью (вакуумный профиль).
Для обеспечения температурного профиля плата управления через плату силовой коммутации подает электрическое питание на кварцевые трубчатые ИК-излучатели 10 и 13 нижнего 3 и верхнего 4 нагревательных узлов соответственно, при этом уровень подводимой к ним электрической мощности регулируется с помощью платы силовой коммутации по управляющим сигналам микроконтроллера. Микроконтроллер вырабатывает управляющие сигналы с учетом данных о фактической температуре в рабочей камере вакуумной ИК-печи, полученных от температурных термопарных датчиков, размещенных в рабочей камере. В результате реализуется, например, RSS температурный профиль: предварительный нагрев со скоростью 2…4°С/с, выдержка («полка») при температуре 120…150°С (для свинцовых припоев с температурой плавления около 183°С) в течение примерно 60 с, пиковый нагрев с температурой, превышающей температуру плавления паяльной пасты, в течение 30…60 с для качественного смачивания и полного расплавления припоя, охлаждение до комнатной температуры со скоростью 4…6°С/с.
Для обеспечения необходимого вакуумного профиля система управления закрывает вакуумные клапаны с электрическим управлением, обеспечивая герметичность системы, и включает вакуумный насос для откачки атмосферы из полости рабочей камеры. Это происходит одновременно с предварительным нагревом платы и в процессе нагрева паяльная паста, печатная плата и компоненты на ней могут выделять пары окислителей, остатков промывочных жидкостей и прочих загрязнений, которые тут же откачиваются системой вакууммирования и газонаполнения, что способствует повышению качества пайки. Остаточное давление или степень вакуума в рабочей камере контролируется с помощь датчика вакуума, показания которого используются системой управления для включения или выключения вакуумного насоса. После дегазации, при необходимости, может быть предусмотрено наполнение рабочей камеры инертным газом, для чего система управления открывает соответствующий вакуумный клапан с электрическим управлением. Непосредственно перед пиковым нагревом печатной платы снова обеспечивается вакууммирование рабочей камеры с тем, чтобы фаза непосредственного расплавления припоя происходила в вакууме для исключения или кардинального уменьшения возможности образования газовых пустот и пор в паяных соединениях.
После завершения пайки на стадии охлаждения в рабочую камеру может быть подан инертный газ или смесь газов, может быть предусмотрена также принудительная продувка рабочей камеры для обеспечения необходимого режима охлаждения опаянной печатной платы. Эти операции реализуются открытием соответствующих вакуумных клапанов по командам системы управления, отрабатывающей тот или иной заложенный в микроконтроллер алгоритм.
После завершения охлаждения по команде системы управления открывается вакуумный клапан связи с атмосферой и в рабочей камере устанавливается атмосферное давление. Индикатор на пульте управления 2 сигнализирует об окончании рабочего цикла и возможности открыть рабочую камеру откидыванием вверх верхнего нагревательного узла 4.
На этом рабочий цикл предлагаемой вакуумной ИК-печи для пайки печатных плат завершен. Опаянная печатная плата может быть извлечена из рабочей камеры, а на ее место может быть установлена новая печатная плата.
В процессе рабочего цикла кварцевые трубчатые ИК-излучатели 10 нижнего нагревательного узла 3 выделяют большое количество тепловой энергии, главным образом, в виде теплового ИК-излучения. Это излучение попадает на печатную плату 17, вызывая ее непосредственный нагрев, и на отражатель 9, выполненный из листовой нержавеющей стали с зеркальным отражающим слоем. Часть упавшего на отражатель 9 излучения отражается обратно в рабочую камеру и участвует в нагреве печатной платы 17, а другая часть поглощается материалом экрана 9, вызывая его нагрев. В свою очередь нагретый отражатель 9 тоже становится источником теплового ИК-излучения, хотя и значительно меньшей интенсивности, чем излучатель 10 (в соответствии с законами излучения Планка интенсивность теплового излучения очень сильно зависит от температуры нагретого тела). Тепловое излучение нагретого отражателя 9 падает на тепловой экран 11, который также выполнен из листа нержавеющей стали с зеркальным слоем и который также отражает (в сторону отражателя 9) большую часть этого излучения (коэффициент отражения полированной поверхности нержавеющей стали в ИК- области спектра составляет от 60% в коротковолновом участке до 90% и более в средневолновом и длинноволновом участках ИК- спектра), а меньшая его часть вызывает нагрев материала теплового экрана 11. Температура нагрева теплового экрана 11 значительно меньше температуры отражателя 9, поэтому тепловое ИК-излучение экрана 11 в сторону стенок корпуса нижнего нагревательного узла 3 носит остаточный характер.
Зазоры между тепловым экраном 11 и отражателем 9, а также между тепловым экраном 11 и корпусом нижнего нагревательного узла 3 играют роль дополнительной теплоизоляции, поскольку остаточное давление газов в несколько миллибар свидетельствует о наличии некоторого количества газа в указанных зазорах. Увеличение величины зазора способствует повышению теплоизоляционных свойств конструкции и, соответственно, уменьшению температуры наружных стенок рабочей камеры. Уменьшение величины зазора до величины менее 5 мм крайне нежелательно, поскольку при этом эффективность теплозащиты существенно снижается.
Аналогично в верхнем нагревательном узле 4 происходит взаимодействие трубчатых ИК-излучателей 13, отражателя 12 и теплового экрана 14.
Испытания изготовленного образца вакуумной ИК- печи для пайки печатных плат показывают, что в установившемся режиме работы, когда заканчивается один рабочий цикл и тут же начинается новый рабочий цикл с другой печатной платой, в течение 3 часов температура наружных стенок рабочей камеры не превышает 40°С, что является допустимым и свидетельствует об эффективности предложенного технического решения, которое позволило упростить конструкцию предлагаемой вакуумной ИК-печи по отношению к прототипу за счет исключения системы водяного охлаждения стенок рабочей камеры.
Кроме того, за счет лучших тепловыравнивающих свойств системы «тепловой экран 11 - отражатель 9» (и, соответственно, системы «тепловой экран 14 - отражатель 12») удалось увеличить размеры нагреваемых печатных плат при высокой (±1°С) равномерности распределения температуры по поверхности платы. Так, максимальные размеры опаиваемых плат в предложенной вакуумной ИК-печи составляют 300 × 300 мм против 160 × 160 мм у прототипа, т.е. имеет место увеличение площади опаиваемых плат в 3,5 раза. При этом по максимальной потребляемой электрической мощности предлагаемая печь и прототип практически одинаковы (максимальная потребляемая электрическая мощность составляет 6,5 кВт).
Максимальная высота компонентов на плате составляет 50 мм.
Предложенная вакуумная инфракрасная печь пригодна для пайки печатных плат как с односторонним, так и двухсторонним размещением компонентов.
Длительность полного рабочего цикла не превышает 10 минут.
Диапазон регулируемой температуры на поверхности печатной платы составляет от 100°С до 350°С.
Габариты печи 560×485×360 мм.
Масса 90 кг.