Самодельная ик станция на китайских керамических нагревателях. ИК паяльная станция, самодельные конструкции

Инфракрасная паяльная станция - это устройство для пайки микросхем в корпусе BGA. Если прочитанное ничего вам не говорит, вряд-ли вам стоит заходить под кат. Там ардуины, графики, программирование, амперметры, саморезы и синяя изолента.

Предыстория первая.

Моя профессиональная деятельность некоторым образом связана с электроникой. Поэтому родственники и знакомые постоянно норовят притащить мне какую-нибудь не совсем исправную электронную штуку со словами «ну посмотри, может тут какой проводок отпаялся».
В тот раз такой штукой оказался 17" ноутбук eMachines G630. При нажатии на кнопку питания зажигался индикатор, шумел вентилятор, но дисплей был безжизненным, не было звуковых сигналов и активности жесткого диска. Вскрытие показало, что ноутбук построен на платформе AMD, а северный мост имеет маркировку 216-0752001. Беглое гугление показало, что у чипа весьма плохая репутация в части надежности, зато проблемы с ним легко диагностируются. Нужно лишь его прогреть. Выставил на паяльном фене 400 градусов и подул на чип секунд 20. Ноутбук запустился и показал картинку.
Диагноз поставлен. Казалось бы, дело за малым - перепаять чип. Вот тут меня ожидало первое откровение. После обзвона сервис-центров выяснилось, что минимальная сумма, за которую в Минске можно поменять чип - 80 долларов. 40 долларов за чип и 40 долларов за работу. Для ноутбука общей стоимостью хорошо если 150 долларов это было весьма не бюджетно. Дружественный сервис по знакомству предложил перепаять чип по себестоимости - за 20 долларов. Итоговый ценник снизился до 60 долларов. Верхняя граница психологически приемлемой цены. Чип был благополучно перепаян, ноутбук собран, отдан и я о нем благополучно забыл.

Предыстория вторая.

Через несколько месяцев после окончания первой предыстории мне позвонил родственник со словами «Ты же любишь разную электронику. Забери ноутбук на запчасти. Бесплатно. Или просто выкину в мусор. Сказали, вроде материнская плата. Отвал чипа. Ремонтировать экономически нецелесообразно». Так я стал обладателем ноутбука Lenovo G555 без жесткого диска, но со всем остальным, включая блок питания. Включение показало те же симптомы, что и в первой предыстории: кулер крутится, лампочки горят, больше признаков жизни нет. Вскрытие показало старого знакомого 216-0752001 со следами манипуляций.


После прогрева чипа ноутбук запустился как ни в чем не бывало, как и в первом случае.

Размышления.

Так я оказался владельцем ноутбука с неисправным северным мостом. Разобрать его на запчасти или попытаться починить? Если второе, то снова паять его на стороне, пусть даже за 60 долларов, а не за 80? Или купить собственную инфракрасную паяльную станцию? А может собрать своими руками? Хватит ли у меня сил и знаний?
После некоторых размышлений было решено попытаться починить, причем починить самостоятельно. Даже если попытка не увенчается успехом, разобрать его на запчасти это никак не помешает. А инфракрасная станция будет полезным подспорьем во многих работах, требующих предварительного подогрева.

Техническое задание.

Изучив цены на готовые промышленные инфракрасные станции (от $1000 до плюс бесконечности), перелопатив кучу топиков на профильных форумах и роликов на Youtube, окончательно сформировал техническое задание:

1. Буду изготавливать собственную паяльную станцию.

2. Бюджет конструкции - не более 80 долларов (две перепайки в сервис-центре без материалов).

Дополнительно в оффлайне были куплены:

Линейные галогенные лампы R7S J254 1500W - 9 шт.


Линейные галогенные лампы R7S J118 500W- 3 шт.


Патроны R7S - 12 шт.


Из хлама в гараже на свет божий были извлечены:

Док-станция от какого-то допотопного лэптопа Compaq - 1 шт.


Штатив от советского фотоувеличителя - 1 шт.


В домашнем складе были найдены силовые и сигнальные провода, Arduino Nano, клемники WAGO.

Нижний нагреватель.

Вооружаемся болгаркой и отрезаем от док-станции все лишнее.


К листу металла прикрепляем патроны.


Соединяем патроны по схеме 3s3p, устанавливаем лампы, прячем в корпус.


Поиск материала для отражателя занял продолжительное время. Использовать фольгу не хотелось из-за подозрения в ее недолговечности. Использовать более толстый листовой металл не получалось из-за сложностей с его обработкой. Опрос знакомых сотрудников промышленных предприятий и обход пунктов скупки цветмета результатов не дал.

В конце концов удалось найти листовой алюминий чуть толще фольги, идеально подходящий для меня.


Теперь я точно знаю, где такие листы искать - у полиграфистов. Они их крепят к барабанам в своих машинах, то ли для переноса краски, то ли еще для чего-то. Если кто в курсе, расскажите в комментариях.

Нижний нагреватель с установленным отражателем и решеткой. Вместо решетки правильнее использовать , но стоит он совершенно не бюджетно, как и все с наклейкой «Professional».


Светит красивым оранжевым светом. Глаза при этом не выжигает, смотреть на свет можно совершенно спокойно.


Потребляет порядка 2.3 кВт.


Верхний нагреватель

Идея конструкции та же самая. Патроны привернуты саморезами к крышке от компьютерного блока питания. К ней же прикреплен согнутый из алюминиевого листа отражатель. Три пятисотваттные галогенки соединены последовательно.


Тоже светит оранжевым.


Потребляет порядка 250 ватт.


Схема управления

Инфракрасная станция - суть автомат с двумя датчиками (термопара платы и термопара чипа) и двумя исполнительными механизмами (реле нижнего нагревателя и реле верхнего нагревателя).

Было решено, вся логика регулирования мощности нагрева будет реализована на ПК. Arduino будет только мостом между станцией и ПК. Получил с ПК параметры ШИМ-регулирования нагревателей - выставил их - отдал температуру термопар в ПК, и так по кругу.

Arduino ожидает на последовательном порту сообщения типа SETxxx*yyy*, где xxx - мощность верхнего нагревателя в процентах, yyy - мощность нижнего нагревателя в процентах. Если полученное сообщение соответствует шаблону, выставляются ШИМ-коэффициенты для нагревателей и возвращается сообщение OKaaabbbcccddd, где aaa и bbb - установленная мощность верхнего и нижнего нагревателей, ccc и ddd - температура, полученная с верхней и нижней термопары.

«Настоящий» аппаратный ШИМ микроконтроллера с частотой дискретизации несколько килогерц в нашем случае неприменим, так как твердотельное реле не может отключиться в произвольный момент времени, а только при прохождении переменного напряжения через 0. Было решено реализовать собственный алгоритм ШИМ с частотой порядка 5 герц. Лампы при этом полностью гаснуть не успевают, хоть и заметно мерцают. При этом минимальным коэффициентом заполнения, при котором еще есть шансы захватить один период сетевого напряжения, оказывается 10%, чего вполне достаточно.

При написании скетча была поставлена задача отказаться от задания задержек фунцией delay(), так как есть подозрение, что в момент задержек возможна потеря данных с последовательного порта. Алгоритм получился следующий: в бесконечном цикле проверяется наличие данных из последовательного порта и значение счетчиков времени программного ШИМ. Если есть данные из последовательного порта, обрабатываем их, если счетчик времени достиг значений переключения ШИМ, проводим действия по включению-выключению нагревателей.

#include int b1=0; int b2=0; int b3=0; int p_top, p_bottom; int t_top, t_bottom; int state_top, state_bottom; char buf; unsigned long prev_top, prev_bottom; int pin_bottom = 11; int pin_top = 13; int tick = 200; unsigned long prev_t; int thermoDO = 4; int thermoCLK = 5; int thermoCS_b = 6; int thermoCS_t = 7; MAX6675 thermocouple_b(thermoCLK, thermoCS_b, thermoDO); MAX6675 thermocouple_t(thermoCLK, thermoCS_t, thermoDO); void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(pin_top, OUTPUT); digitalWrite(pin_top, 0); pinMode(pin_bottom, OUTPUT); digitalWrite(pin_bottom, 0); t_top = 10; t_bottom = 10; p_top = 0; p_bottom = 0; state_top = LOW; state_bottom = LOW; prev_top = millis(); prev_bottom = millis(); } void loop() { if (Serial.available() > 0) { b3 = b2; b2 = b1; b1 = Serial.read(); if ((b1 == "T") && (b2 == "E") && (b3 == "S")) { p_top = Serial.parseInt(); if (p_top < 0) p_top = 0; if (p_top > 100) p_top = 100; p_bottom = Serial.parseInt(); if (p_bottom < 0) p_bottom = 0; if (p_bottom > 100) p_bottom = 100; t_bottom = thermocouple_b.readCelsius(); t_top = thermocouple_t.readCelsius(); sprintf (buf, "OK%03d%03d%03d%03d\r\n", p_top, p_bottom, t_top, t_bottom); Serial.print(buf); } } if ((state_top == LOW) && ((millis()-prev_top) >= tick * (100-p_top) / 100)) { state_top = HIGH; prev_top = millis(); } if ((state_top == HIGH) && ((millis()-prev_top) >= tick * p_top / 100)) { state_top = LOW; prev_top = millis(); } digitalWrite(pin_top, state_top); if ((state_bottom == LOW) && ((millis()-prev_bottom) >= tick * (100-p_bottom) / 100)) { state_bottom = HIGH; prev_bottom = millis(); } if ((state_bottom == HIGH) && ((millis()-prev_bottom) >= tick * p_bottom / 100)) { state_bottom = LOW; prev_bottom = millis(); } digitalWrite(pin_bottom, state_bottom); }

Приложение для компьютера.

Написано на языке Object Pascal в среде Delphi. Отображает состояние нагревателей, рисует график температуры и имеет встроенный примитивный язык моделирования, больше по философии напоминающий какой-нибудь Verilog, нежели к примеру Pascal. «Программа» состоит из набора пар «условие - действие». К примеру «при достижении нижней термопарой температуры 120 градусов установить мощность нижнего нагревателя 10%, а верхнего - 80%». Таким набором условий реализуется требуемый термопрофиль - скорость нагрева, температура удержания и т. п.


В приложении раз в секунду тикает таймер. По тику таймера функция отправляет в контроллер текущие установки мощности, назад получает текущие значения температур, отрисовывает их в окне параметров и на графике, вызывает процедуру проверки логических состояний, после чего засыпает до следующего тика.

Сборка и пробный запуск.

Схему управления собрал на макетке. Не эстетично, зато дешево, быстро и практично.


Окончательно собранное и готовое к запуску устройство.


Прогон на тестовой плате выявил следующие наблюдения:

1. Мощь нижнего нагревателя невероятна. График температуры тонкой ноутбучной платы свечой взлетает вверх. Даже при 10% мощности плата уверенно греется до требуемых 140-160 градусов.

2. С мощностью верхнего нагревателя похуже. Догреть чип даже до температуры «низ+50 градусов» получается только на 100% мощности. То ли придется впоследствии переделывать, то ли пускай остается как защита от соблазна недогревать низ.

Покупка чипа на Aliexpress.

В продаже есть два вида мостов 216-0752001. Одни заявлены как новые и стоят от 20 долларов за штуку. Другие указаны как «бывшие в употреблении» и стоят 5-10 долларов за штуку.
Среди ремонтников много мнений относительно б/у чипов. От категорически отрицательных («бугага, приходи ко мне, у меня как раз под столом горка бэушных мостов насобиралась после перепайки, я тебе их недорого продам») до осторожно нейтральных («сажаю иногда, вроде нормально работают, возвраты если и бывают, то не намного чаще новых»).
Поскольку ремонт у меня ультрабюждетный, то было решено сажать чип бывший в употреблении. А чтобы перестраховаться на случай дрогнувшей руки или неисправного экземпляра, был найден лот «2 штуки за 14 долларов».


Демонтаж чипа

Устанавливаем плату на нижний подогрев, крепим одну термопару к чипу, вторую к плате подальше от чипа. Для уменьшения теплопотерь накрываем плату фольгой, за исключением окошка под чип. Ставим верхний нагреватель над чипом. Так как чип уже пересаживался, загружаем самостоятельно придуманный профиль для свинцового припоя (нагрев платы до 150 градусов, догрев чипа до 190 градусов).

Все готово для старта.


После достижения платой температуры 150 градусов автоматически включился верхний нагреватель. Внизу под платой видна разогретая нить накаливания нижней галогенки.


В районе 190 градусов чип «поплыл». Поскольку вакуумный пинцет в бюджет не уместился, цепляем его тонкой отверткой и переворачиваем.


График температур в процессе демонтажа:


На графике хорошо виден момент включения верхнего нагревателя, качество стабилизации температуры платы (желтая крупно волнистая линия) и температуры чипа (красная мелкая рябь). Красный длинный «зубец» вниз - падение термопары с чипа после его переворота.

Запаивание нового чипа

Ввиду ответственности процесса было не до фотосъемки и изготовления скриншотов. В принципе все то же самое: проходимся по пятакам паяльником, мажем флюсом, устанавливаем чип, устанавливаем термопары, отрабатываем профиль пайки, легким пошатыванием убеждаемся, что чип «поплыл».

Чип после установки:


Видно, что сел более-менее ровно, цвет не поменялся, текстолит не погнуло. Прогноз на жизнь - благоприятный.

Затаив дыхание включаем:


Да! Материнская плата запустилась. Я перепаял первый в жизни BGA. К тому же с первого раза успешно.

Ориентировочно смета затрат:

Лампа J254: $1.5*9=$13.5
Лампа J118: $1.5*3=$4.5
Патрон r7s: $1.0*12=$12.0
Термопара: $1.5*2=$3.0
MAX6675: $2.5*2=5.0
Реле: $4*2=$8.0
Чипы: $7*2=$14.0

Итого: $60 минус оставшийся запасной чип.

Ноутбук был собран, в него добавлен найденный в столе жесткий диск на 40 гигабайт, установлена операционная система. Для предотвращения в будущем подобных инцидентов с помощью k10stat напряжение питания ядра процессора понижено до 0.9В. Теперь при самом жестком использовании температура процессора не поднимается выше 55 градусов.
+288 +568

Рано или поздно перед радиомехаником, занимающимся ремонтом современной электронной техники встаёт вопрос покупки инфракрасной паяльной станции. Необходимость назрела в связи с тем что современные элементы массово «откидывают копыта» короче говоря, производители как и мелочевки так и больших интегральных схем отказываются от гибких выводов в пользу пятачков. Процесс этот идёт уже достаточно давно.


Такие корпуса микросхем называются BGA — Ball grid array, проще говоря — массив шариков. Такие микросхемы монтируются и демонтируются бесконтактным способом пайки.

Раньше, для не особо крупных микросхем можно было обходиться термовоздушной паяльной станцией. А вот крупные графические контроллеры GPU термовоздушкой уже не снимешь и не посадишь. Разве что прогреть, но прогрев длительного результата не даёт.
В общем, ближе к теме... Готовые профессиональные инфракрасные станции имеют запредельные цены, а недорогие 1000 — 2000 зелёных недостаточный функционал, короче допиливать всё равно придётся. Лично по мне, инфракрасная паяльная станция — это тот инструмент, который можно собрать самому и под свои нужды. Да, не спорю, есть затраты по времени. Но если подойти к сборке ИК станции методично, то будет и необходимый результат и творческая удовлетворённость. Итак, я для себя наметил, что буду работать с платами размером 250×250 мм. Для пайки телевизионных Main и компьютерных видеоадаптеров, возможно планшетных ПК.

Итак, начал я с нечистого листа и дверцы от старой антресоли, прикрутив к этому будущему основанию 4 ножки от древней пишущей машинки.



Основа при помощи приблизительных расчётов получилась 400×390 мм. Дальше необходимо было примерно рассчитать компоновку исходя из размеров нагревателей, ПИД-регуляторов. Таким нехитрым «фломастерным» способом я определил высоту своей будущей инфракрасной паяльной станции и угол скоса передней панели:



Далее уже берёмся за скелет. Тут всё просто — изгибаем алюминиевые уголки согласно конструкции нашей будущей паяльной станции, закрепляем, связываем. Идём в гараж и с головой закапываемся в корпуса от DVD и видиков. Хорошо делаю, что не выбрасываю – знаю, что пригодятся. Глядишь, дом из них построю:) Вон из пивных банок строят, из пробок и даже палочек от мороженого!

Короче говоря, на облицовку лучше не придумаешь, чем крышки от аппаратуры. Листовой металл стоит не дёшево.



Бежим по магазинам в поисках антипригарного противня. Противень необходимо подобрать согласно размерам ИК-излучателей и их количеству. Я ходил по магазинам с небольшой рулеткой и измерял стороны дна и глубину. На вопросы продавцов типа — «Зачем вам пироги строго заданных размеров?» Отвечал, что неподходящие размеры пирога нарушают общую гармонию восприятия, что не соответствует моим моральным и этическим принципам.



Урааа! Первая посылочка, а в ней особо важные запчастюлины: ПИД-ы (страшное слово-то какое) Расшифровка тоже не простая: Пропорционально-Интегрально-Дифференциальный регулятор. В общем, разбираемся с их настройкой и работой.



Далее жестянка. Здесь как раз и пришлось попотеть с крышками от DVD-юков дабы всё получилось ровно и солидно, для себя делаем. После подгонки всех стенок необходимо вырезать нужные отверстия под ПИД-ы на передней, под кулер на задней стенке и в покраску — в гараж. В итоге — промежуточный вариант нашей ИК паяльной станции стал выглядеть таким образом:



После тестирования регулятора REX C-100 предназначенного для преднагрева (нижнего нагревателя) выяснилось, что он не совсем подходит для моей конструкции паяльной станции, потому как не рассчитан на работу с твердотельными реле, которыми он и должен управлять. Пришлось его доработать под свою концепцию.



Урааа! Пришла посылка из Китая. Теперь в ней уже было самое основное богатство для постройки нашей инфракрасной паяльной станции. А именно — это 3 нижних ИК излучателя 60×240 мм, верхний 80×80 мм. и пара твердотельных реле на 40А Можно было и на 25 ампер взять, но всегда стараюсь всё сделать с запасом, да и ценой они не сильно отличались...



Глаза боятся, а руки делают. Стараюсь не забывать эту старую истину, также как и про курицу, та что по зёрнышку...Что имеем в итоге — После установки излучателей в противень, установки твердотелок на радиатор, обдуваемый кулером и соединении всего, получилось уже что-то более-менее похожее на инфракрасную паяльную станцию.



Когда дело с преднагревом начало подходить к концу и были сделаны первые тесты на нагрев, удержание температуры и гистерезис, можно было смело приступать к верхнему инфракрасному излучателю. Работы с ним оказалось больше, чем я предполагал изначально. Было рассмотрено несколько конструктивных решений, но всё же более удачным на практике оказался последний вариант, который я и воплотил.



Сделать столик для удержания платы — очередная задача, требующая нагрева черепной коробки. Необходимо чтобы выполнялось несколько условий — равномерное удержание печатной платы, чтобы плата при нагреве не прогибалась. Кроме этого была возможность сдвигать влево-вправо уже зажатую плату. Зажим платы должен быть, как и крепкий, так и давать небольшую слабину, так как плата при нагреве расширяется. Ну и так же у столика должна быть возможность закрепить платы разных размеров. Не до конца еще доделанный столик: (нет прищепок для платы)



Вот и настало время тестов, отладок, подгонки термопрофилей под разные виды микросхем, и паяльных сплавов. За осень 2014 было восстановлено приличное количество компьютерных видеокарт и телевизионных Main-board



Не смотря на то, что паяльная станция кажется завершённой и прекрасно себя зарекомендовала, на самом деле не хватает еще нескольких важных вещей: Во-первых это лампа, ну или фонарик на гибкой ножке, Во-вторых обдув платы после пайки, в-третьих я хотел изначально сделать селектор для нижних нагревателей...

Конечно же, я написал не всё что хотел, потому как, при сборке было много мелочей, проблем и тупиков. Но зато я записал на видео весь процесс конструирования и теперь это полноценный обучающий видеокурс:


При ремонте материнских плат связанных с заменой BGA компонентов не обойтись без инфракрасной паяльной станции! Китайские станции качеством не блещут, а качественные ИК паяльные станции стоят не дешево. Выход - собрать самому паяльную станцию. Стоимость компонентов для сборки станции не превышает 10 тысяч рублей. Не смотря на дешевизну - самодельная ИК станция надежно себя зарекомендовала в ремонте материнских плат. Контроллер обеспечивает точное соблюдение термопрофиля, что является важным фактором во время замены BGA компонентов.

Описание конструкции

Станция состоит из контроллера управления, нижнего подогрева, верхнего нагревателя.

Контроллер двухканальный. К первому каналу можно подключить термопару или платиновый терморезистор. Ко второму каналу подключается только термопара. 2 канала имеют автоматический и ручной режим работы. Автоматический режим работы обеспечивает поддержание температуры 10-255 градусов через обратную связь с термопар или платинового терморезистора (в первом канале). В ручном режиме мощность в каждом канале можно регулировать в диапазоне 0-99%. В памяти контроллера заложено 14 термопрофилей для пайки BGA. 7 для свинецсодержащего припоя и 7 для безсвинцового припоя. Термопрофили указаны ниже. При желании их можно изменить (исходник в архиве).

Для безсвинцового припоя максимальная температура термопрофиля: - 8 термопрофиль - 225C о, 9 - 230C о, 10 - 235C о, 11 - 240C о, 12 - 245C о, 13 - 250C о, 14 - 255C о

Если верхний нагреватель, не успевает прогревать согласно термопрофилю, то контроллер становится на паузу и ждет пока не будет достигнута нужная температура. Это сделано для того, чтобы адаптировать контроллер для слабых нагревателей, которые прогревают долго и не успевают за термопрофилем.

Контроллер так же можно использовать в качестве регулятора температуры, например, во время сушки или запекания паяльной маски (в духовке, в которую помещена термопара), или прочих случаях, где требуется точное поддержание температуры.

Принципиальная схема контроллера

Далее приведены фото контроллера. Блок питания использовал от ноутбука, которое переделал на напряжение 12 Вольт. В качестве гнезда для термопар использовал usb гнездо с кусочками текстолита, которое припаяно к передней панели, смотрим фото. Охлаждение активное, я использовал термотрубку от охлаждения ноутбука. К термотрубке феном припаял медную пластину, на которую будут установлены элементы для охлаждения. Можно использовать охлаждение процессора от системного блока, но тогда габариты устройства увеличатся.

Нижний подогрев изготовлен из галогенового обогревателя на 3 лампы общей мощностью 1,2 кВт. Из обогревателя демонтируется основание со светоотражателем и защитной сеткой. Корпус для нижнего подогрева я изготовил из изогнутой листовой жести(конька оцинкованного), который вырезал ножницами по металлу. Так же в конструкцию добавлен порог алюминиевый(стык), для удобства установки на него швеллера алюминиевого. На швеллер через стойки устанавливается материнская плата. Нижний подогрев можно подключить к контроллеру. Я поступил другим способом чтобы не заморачиваться с второй термопарой, - в нижний подогрев встроил диммер на 600 Вт, только на симистор установил радиатор побольше. С регулировкой 1,2 кВт он прекрасно справляется. Примерное положение диммера я запомнил, при котором стабильно держится требуемая температура на материнской плате. Для небольших плат (например видеокарт) можно использовать канцелярские прищепки, прикрученные к DIN рейке. Пример на фото.

Качественный верхний нагреватель из подручных средств, к сожалению невозможно изготовить. Я проводил эксперименты с галогеновыми лампами, кварцевыми трубками со спиралями, так же экспериментировал с ИК лампой. Но лучше всего себя зарекомендовал керамический нагреватель фирмы ELSTEIN серии SHTS (с позолотой). Подобные нагреватели используются в дорогих ИК станциях. Я использовал ELSTEIN SHTS/100 800W и ELSTEIN SHTS/4 300W. Нагреватели греют очень хорошо, и практически не светят. Спектр ИК излучения очень подходит для замены BGA компонентов. Нагреватели из Китая не рекомендую, хоть внешне они и похожи на ELSTEIN.


Тепловое пятно нагревателя ELSTEIN SHTS/100 800W. Размер нагревателя 96х96 мм. Расстояние между нагревателем и платой 5см.

Круг El1 диаметр 4 см (перепад температуры 5 градусов от центра до края окружности).

Круг El2 диаметр 5 см (перепад температуры 10 градусов от центра до края окружности).

Круг El3 диаметр 6 см (перепад температуры 15 градусов от центра до края окружности).


Тепловое пятно нагревателя ELSTEIN SHTS/4 300W. Размер нагревателя 60х60 мм. Расстояние между нагревателем и платой 5см.

Круг El1 диаметр 2,5 см (перепад температуры 5 градусов от центра до края окружности). Подходит для большинства чипов.

Круг El2 диаметр 3 см (перепад температуры 10 градусов от центра до края окружности).

Круг El3 диаметр 4,5 см (перепад температуры 15 градусов от центра до края окружности).

Как видим оба нагревателя подходят для замены BGA компонентов. Но ELSTEIN SHTS/100 800W имеет преимущество перед вторым нагревателем. Это гораздо большее равномерное тепловое пятно. Круг диаметром 4 см у которого перепад температуры не более 5C о. Практически показатель как у Термопро с 3D отражателем (у которого однородное квадратное тепловое пятно 4х4см с перепадом температуры не более 5C о)

Ниже приведены фото конструкции верхнего нагревателя и станины, которую изготовил из того что было в строительном магазине. Конструкция получилась удачной, регулируется по высоте и длине, нагреватель крутится вокруг своей оси, его легко установить над любым участком платы.

Термопара крепится к штативу. Ее легко навести на любой участок платы. Конструкция на фото. Гибкий металлический рукав я использовал от USB фонарика из магазина, где все по одной цене. В металлический рукав я вставил термопару без внешней изоляции при помощи проволоки.

Настройка контроллера

Для настройки канала верхней термопары R3 устанавливаем в среднее положение. Помещаем термопару контроллера и термопару образцового термометра на нагретую поверхность (например галогеновую лампу, где обе термопары соединены вместе и на них нанесена термопаста), и калибруем резистором R6 показания максимального значения температуры 250 градусов. Потом даем лампе остыть до комнатной температуры и калибруем резистором R3 нижнее показание температуры. Данную процедуру нужно повторить несколько раз, пока не будет совпадать нижнее и максимальное значение температур с реальными показателями. Такую же процедуру повторяем с каналом нижней термопары при помощи резисторов R11 и R14 соответственно. Аналогично калибруется первый канал при использовании платинового терморезистора резисторами R21 и R27 соответственно. Если не планируется использовать платиновый терморезистор, то ОУ U2 можно из схемы исключить со всей обвязкой, а 11 вывод микроконтроллера подключить на +5В.

Управление контроллером и изменение параметров, а так же процесс съема и установки чипа показан на видео. Верхний нагреватель я устанавливаю на высоте 5-6 см от поверхности платы. Если в момент исполнения термопрофиля происходит выбег температуры от заданного значения больше чем на 3 градуса - понижаем мощность верхнего нагревателя. Выбег на несколько градусов в конце термопрофиля(после отключения верхнего нагревателя) не страшен. Это сказывается инерционность керамики. Поэтому я выбираю нужный термопрофиль на 5 градусов меньше, чем мне надо. На данном нижнем подогреве температура немного отличается над зоной нагревателя, и в теневой зоне (разница около 10-15 градусов). Поэтому плату на нижний нагреватель желательно установить так, чтобы чип находился над зоной нагревателя (но это не критично). Перед съемом чипа при помощи зонда нужно убедиться(аккуратным нажатием на каждый угол чипа) что шары под чипом поплыли. При монтаже используем только качественный флюс, иначе неправильный выбор флюса может все испортить. Так же при монтаже чипа BGA рекомендуется накрыть кристалл прямоугольником из алюминиевой фольги с размером стороны равной примерно ½ от стороны BGA, чтобы снизить температуру в центре, которая всегда выше, чем температура около термопары (смотрим выше фото тепловых пятен ИК нагревателей ELSTEIN).

Внешний вентилятор программно не задействован, хотя на схеме он и указан. В дальнейшем планируется в исходник внести изменения и задействовать внешний вентилятор.

Ниже вы можете скачать архив с печатной платой в формате LAY, исходным кодом, прошивкой

Список радиоэлементов

Обозначение Тип Номинал Количество Примечание Магазин Мой блокнот
E1 Энкодер EC11 1 С кнопкой Поиск в Чип и Дип В блокнот
U1, U2 Операционный усилитель

LM358

2 Поиск в Чип и Дип В блокнот
U3 Линейный регулятор

LM7805

1 Устанавливается на радиатор Поиск в Чип и Дип В блокнот
U4 МК PIC 8-бит

PIC16F876

1 PIC16F876A Поиск в Чип и Дип В блокнот
U5, U6 Оптопара

PC817

2 Поиск в Чип и Дип В блокнот
LCD1 LCD-дисплей WH2004A-YYH-CT 1 20x4 на основе KS0066 (HD44780) с англо-русским словарем Поиск в Чип и Дип В блокнот
Q1, Q2 MOSFET-транзистор

TK20A60U

2 2SK3568 Поиск в Чип и Дип В блокнот
Q3, Q4, Q5 MOSFET-транзистор

IRLML0030

3 Или любой N-Channel MOSFET Поиск в Чип и Дип В блокнот
Z1 Кварц 16 МГц 1 Поиск в Чип и Дип В блокнот
VD1 Выпрямительный диод

LL4148

1 Поиск в Чип и Дип В блокнот
VD2, VD3 Диодный мост KBU1010 2 Поиск в Чип и Дип В блокнот
VD4, VD5 Стабилитрон 24 В 2 Поиск в Чип и Дип В блокнот
R1 Платиновый терморезистор PT100 1 Поиск в Чип и Дип В блокнот
R2, R10 Резистор

470 Ом

2 Поиск в Чип и Дип В блокнот
R3, R11 Подстроечный резистор 1 МОм 2 Поиск в Чип и Дип В блокнот
R4, R12 Резистор

1 МОм

2 Поиск в Чип и Дип В блокнот
R5, R13, R26 Резистор

Проблемы повышения качества монтажных соединений и производительности при осуществлении поверхностного монтажа вызывают необходимость рационального выбора технологии и оборудования групповой пайки компонентов на плате. Инфракрасное излучение обеспечивает высокую скорость локального нагрева и возможность эффективного управления температурным профилем групповой пайки. Для получения качественных паяных соединений в изделиях электроники с плотным поверхностным монтажом необходимы выбор соответствующего оборудования ИК нагрева и оптимизация режимов процесса.

Проблемы технологии групповой пайки

В связи с миниатюризацией электронных компонентов и устройств все большее значение приобретает качество монтажа компонентов на печатных платах. Несмотря на то что технологии пайки постоянно совершенствуются, требования к качеству монтажа растут еще быстрее. Большие трудности возникают при пайке печатных плат с плотным размещением поверхностно-монтируемых компонентов SMD (Surface Mounted Devices), что заставляет искать новые технологии, способные повысить качество пайки, увеличить ее скорость и снизить стоимость.

До сих пор применяемая технология ручной пайки компонентов с помощью различных конструкций паяльников и паяльных станций отличается универсальностью, большой гибкостью, однако весьма трудоемка, имеет низкую скорость и высокую стоимость монтажа. Использование современных микросхем и пассивных компонентов в миниатюрных корпусах для поверхностного монтажа в значительной степени затрудняет его процесс ввиду плотной компоновки элементов, необходимости точного их позиционирования на плате. Поэтому область применения ручной пайки ограничена мелкосерийным производством и ремонтными работами [ 1].

Широко применяемая технология групповой пайки волной припоя в полной мере удовлетворяет требованиям монтажа выводных компонентов, монтируемых в отверстия платы, однако для плотного поверхностного монтажа из-за значительного количества таких дефектов, как мостики и наплывы припоя, эффект «затенения» компонентов, она применяется меньше. Широкое применение поверхностного монтажа в изделиях электроники потребовало использования разработки новых технологий групповой пайки.

Одной из первых таких технологий стала пайка компонентов в конвекционных печах, где оплавление припоя осуществлялось за счет нагрева его потоком горячего воздуха. В установках пайки с принудительным конвективным теплообменом (Foced Air Convection Reflow) тепло к монтируемым платам подается посредством конвективной теплоотдачи при-

нудительно перемещающимся с малой скоростью нагретым воздухом. Скорость нагрева в таких системах определяется разностью температур между нагретым воздухом и печатной платой. Вследствие большой тепловой инерционности конвекционные печи имеют конвейер, движущийся с небольшой скоростью, по которому платы проходят через несколько зон нагрева. Такая технология требует как предварительного нанесения на контактные площадки паяльной пасты, так и приклеивания компонентов к поверхности платы, чтобы при обдуве горячим воздухом не произошло их смещения. Одним из недостатков этой технологии является разогрев до температуры пайки всей платы. В конвекционных печах практически невозможно точно выдерживать температурный профиль, что требуется для пайки корпусов типа BGA .

Пайка оплавлением дозированного припоя в парогазовой фазе (Vapor-Phase Reflow), или конденсационная пайка, получила широкое применение в технологии ПМ начиная с 1973 г. в разработках фирм «DuPont» и «Western Electric Company» прежде всего благодаря хорошей совместимости со всеми технологическими операциями нового процесса монтажа. Этот метод позволяет осуществлять групповую пайку SMD в бескислородной, негорючей среде с контролируемыми условиями нагрева. Одной из важных особенностей такого процесса является независимость режимов нагрева от геометрической формы и размеров плат. Широко рекламировавшийся в 80-х годах процесс пайки SMD в парогазовой фазе ввиду таких недостатков, как дефицитность инертных жидкостей, разогрев до температуры пайки всей платы и компонентов, низкая скорость нагрева, экологические проблемы разложения жидкости, значительно утратил область применения .

Следующим шагом в развитии технологий пайки стало создание инфракрасных (ИК) печей, которые по сравнению с конвекционными обладают значительно меньшими габаритами (ввиду отсутствия конвейера) и лучшими возможностями по поддержанию необходимого температурного профиля пайки. При использовании ИК печей стало возможным не приклеивать компоненты к плате. Однако разогрев всей платы до температуры пайки остался, поэтому все устанавливаемые на плату компоненты должны быть в состоянии выдерживать в течение нескольких десятков секунд температуру до 300 °С.

Рис. 1. Установка ИК лампового нагрева: 1 - вытяжная вентиляция, 2 - матрица ИК ламп, 3 - плата, 4 - ИК лампа, 5 - отражатель, 6 - устройство охлаждения, 7 - конвейер

Наиболее совершенной в настоящее время технологией пайки является локальная инфракрасная, когда нагрев производится сфокусированным пучком ИК излучения только в местах пайки. Установки локальной ИК пайки состоят из двух нагревателей, один из которых подогревает плату снизу до сравнительно невысокой температуры, и верхнего, осуществляющего в нужный момент быстрый локальный нагрев требуемой области платы до температуры плавления припоя. Фокусируемая пайка более всего подходит для проведения ремонтных работ с использованием микросхем в корпусах BGA, а также для монтажа и демонтажа компонентов в труднодоступных местах. Применение ИК пайки является новым перспективным направлением в технологии поверхностного монтажа (SMT), которое обеспечивает уменьшение затрат на эксплуатацию оборудования при одновременном повышении качества паяных соединений.

Физические основы процесса и особенности технологии ИК пайки

Из всего спектра ИК излучения с длинами волн в диапазоне 0,72-1000 мкм для пайки используется только малая часть этого диапазона: близкое излучение 0,7-1,5 мкм, среднее излучение 1,5-5,6 мкм и дальнее - 5,6-10,0 мкм. Длина волны ИК излучения зависит от температуры источника излучения (при высоких температурах нагрева излучение имеет меньшую длину волны). Температура нагрева тела будет в общем случае зависеть от длины волны излучения, степени черноты или его отражающей способности, длительности облучения и, конечно, от массы тела. Чем короче длина волны излучения, тем глубже оно проникает в тело, поэтому близкое ИК излучение будет обеспечивать более глубокое его проникновение по сравнению со средним и дальним.

Различные материалы по-разному адсорбируют ИК энергию. Различают четыре условия передачи ИК энергии телу: отражение, непрозрачность, прозрачность и полупрозрачность. В первом случае вся ИК энергия отражается от поверхности тела, которое не нагревается. Во втором - ИК энергия тормозится на его поверхности, которая в основном и нагревается. В прозрачном материале ИК энергия проходит через него, не вызывая нагрева, в полупрозрачном - энергия проникает на определенную глубину, вызывая на этой глубине нагрев тела. В связи с особенностями ИК излучения возникли проблемы в практическом применении его в технологии пайки:

  • неравномерность нагрева различных компонентов на поверхности платы из-за разной степени поглощения энергии;
  • невоспроизводимость режимов нагрева вследствие рассогласования спектра излучения источника и спектров поглощения компонентов и платы;
  • необходимость подбора режимов нагрева плат различной геометрии и массы;
  • наличие затененных участков платы, где отсутствует прямое ИК излучение;
  • необходимость защиты поверхности ИК излучателей от испаряющихся флюсов. Первые разработки в области применения

ИК нагрева для пайки основывались на использовании в качестве излучателей инфракрасных ламп с температурой излучающего тела, превышающей 800-1100 °С. Так как температура пайки обычно находится в диапазоне 210-215 °С, то режимы нагрева значительно отличались от равновесных, что приводило к возникновению перегрева участков на поверхности платы, связанных с различной степенью черноты, массой компонентов и другими причинами. Лампы ИК излучения представляют собой вольфрамовую спираль, размещенную внутри герметичной кварцевой трубки, наполненной инертным газом. Чаще всего они устанавливаются внутри рефлектора, отражающего излучение на нагреваемый объект. Лампы и рефлекторы излучают в основном ИК энергию среднего, меньше ближнего и совсем мало дальнего спектра. Эта энергия составляет более 90% энергии, идущей на нагрев тела. Так как воздух практически прозрачен для ИК излучения, то он почти не нагревается, поэтому конвективная составляющая, также как и кондуктивная, минимальна. Основные достоинства нагрева лампами ИК излучения - высокая скорость нагрева, низкая инерционность нагревателей, возможность оперативного изменения температурно-времен-ного профиля нагрева, относительная простота обслуживания и самого оборудования.

Атмосфера в зоне ИК пайки также оказывает влияние на ее качество. Чаще всего ИК установки работают в условиях воздушной атмосферы, однако присутствие кислорода в зоне пайки не всегда желательно, так как может происходить окисление припоя и разрушение органических материалов. Поэтому при пайке в воздушной атмосфере ограничивается длительность цикла нагрева, которая не должна превышать 100-150 с. Перспективно применение при ИК пайке инертной среды, азота с малым содержанием кислорода и водородно-азотной смеси. При этом улучшается качество пайки за счет исключения окисления припоя, повышения активности флюса, возрастает также краевой угол смачиваемости флюса, что уменьшает его количество, затекающего под корпуса элементов, остаточные ионные загрязнения на платах, упрощает очистку печатных плат.

Конструкции установок ИК пайки

В настоящее время в технологии ИК пайки применяют три разновидности конструкций установок, различающиеся видом излучателей: ламповые, панельные и комбинированные. Установки с ламповыми излучателями содержат несколько зон нагрева, где установлен ряд трубчатых И К ламп снизу и сверху транспортера, на котором размещаются монтируемые платы (рис. 1).

В зоне оплавления располагается большее количество ламп, заключенных в отражающие рефлекторы, что позволяет создать большую плотность ИК излучения. В зоне предварительного нагрева лампы располагаются реже, что обеспечивает плавный режим нагрева и выравнивание температуры компонентов. Для удаления летучих соединений, образующихся при пайке, на выходе и входе из зоны нагрева используется система вытяжной вентиляции. На выходе также имеется система принудительного охлаждения плат.

Аналогичную конструкцию имеют установки с панельным ИК нагревом в виде керамических панелей различной мощности, что также позволяет осуществлять формирование необходимого температурно-временного профиля нагрева, но не с такой степенью гибкости. Конструкция ИК панельного нагревателя включает в себя три слоя. Лицевая сторона, обращенная к нагреваемой плате, изготавливается из стекла, керамики или металла, и в зависимости от применяемого материала она может выполнять функции вторичного излучателя или прозрачного окна. В первом случае излучающие свойства будут уже определяться не первичным нагревателем, а материалом лицевого слоя. Второй слой или первичный нагреватель обычно изготавливаются в виде фольги или спирали из резистивного материала. Третий слой является изоляционным и выполняется из тугоплавкой керамики.

Широкое применение нашли панельные излучатели Panel IR System, работающие в среднем и дальнем спектре излучения 3-10 мкм, которые конструктивно представляют собой нагреваемые керамические панели больших размеров, работающие при температуре 200-450 °С. Такие установки содержат воздушные камеры или камеры с инертным газом, поэтому 60% тепловой энергии к нагреваемым объектам доставляется за счет конвекции, а 40% за счет ИК излучения среднего и дальнего спектра. Малая разница температур излучателя и нагреваемого объекта обеспечивает нагрев в режиме, близком к равновесному. В данном случае теряются такие достоинства лампового ИК нагрева, как безы-нерционность, гибкость регулирования режимов, и другие.


Рис. 2. Установка ИК нагрева комбинированного типа: 1 - панельные нагреватели; 2 - печатная плата, 3 - кварцевые ИК лампы, 4 - охлаждающее устройство, 5 - корпус, 6 - конвейер, 7 - микропроцессор, 8 - дисплей

В ИК установках панельного типа нагрев производится как за счет излучения, так и за счет конвекции, потому что ИК излучение в спектре 5-8 мкм хорошо поглощается воздухом. Установки такого типа могут содержать несколько зон предварительного нагрева с расположением нагревателей с одной или с двух сторон конвейера. Увеличение количества зон позволяет увеличивать скорость конвейера. Панельные нагреватели обеспечивают более равномерный нагрев плат, кроме того, средний и дальний ИК спектр не чувствителен к цвету нагреваемых объектов (при температуре ниже 600 °С). Такие нагреватели также меньше чувствительны к загрузке зоны нагрева. Недостатками этих установок является их инерционность к изменению режимов и профиля зоны нагрева, так как каждая из панелей имеет неравномерное температурное поле по площади поверхности. В частности, панели с металлической лицевой частью имеют более низкую температуру по краям, в то время как панели с прозрачной для ИК излучений лицевой поверхностью, наоборот, имеют большую температуру в зоне кромок.

Большую гибкость и возможность использования преимуществ лампового и панельного нагрева обеспечивают комбинированные системы (рис. 2), в которых панельные и ламповые ИК нагреватели образуют необходимое количество зон нагрева. В первой и второй зонах осуществляется предварительный нагрев изделия с помощью панельных нагревателей, обеспечивающих равномерный нагрев и заданную температуру. Расплавление при-пойной пасты происходит в третьей зоне с помощью кварцевых ИК ламп, после чего изделие охлаждается в четвертой зоне. Печатные платы транспортируются через установку на ленточном конвейере.

Установки снабжены встроенной микропроцессорной системой для программного управления режимами нагрева плат, контроля всех систем с отображением результатов на дисплее. В памяти компьютера хранится библиотека типовых режимов оплавления для печатных плат различных типоразмеров.

Одним из наиболее известных производителей оборудования, использующих технологию сфокусированного ИК излучения в своих системах, с 1986 г. является фирма PDR из Великобритании, которая является одним из ведущих производителей оборудования для пайки поверхностного монтажа. Оптическая система паяльной станции фирмы PDR (рис. 3) формирует коротковолновое ИК пятно с красной подсветкой для удобства наведения. Размер пятна устанавливается с большой точностью системой оптических линз. Цифровой контроллер управления с бесконтактным датчиком температуры обеспечивает температурный профиль. В нижней части устройства расположен набор кварцевых нагревательных элементов средневолнового диапазона излучения, осуществляющий подогрев платы. Управление мощностью верхнего (150 Вт) и нижнего ИК излучения (600-1200 Вт) производится согласно тепловому профилю .

Рис. 3. Устройство паяльной станции фирмы PDR: 1 - ИК оптическая система, 2 - пирометр; 3 - печатная плата; 4 - кварцевый подогреватель

Одной из разработок фирмы PDR (рис. 4) является паяльно-ремонтный центр IR-X410 для монтажа или демонтажа любых SMD, включая как соединители, так и чип-компоненты, а также BGA микросхем с размерами от 25 мм до 70 мм.

Прецизионный вакуумный установщик микросхем гарантирует точность позиционирования. Контроль нагрева микросхемы осуществляется в реальном времени. Программное обеспечение позволяет установить любой температурный профиль с возможностью контроля температуры в восьми точках. Для равномерного нагрева платы нижний подогреватель увеличен до 240 х 300 мм.

Примером оборудования среднего класса могут служить полуавтоматические паяльные станции серии PDR 1500, оснащенные персональным компьютером для управления процессом пайки и имеющие нижний нагреватель мощностью 500 Вт и верхний фокусируемый нагреватель мощностью 150 Вт, установленный на штативе. В верхнем нагревателе могут использоваться различные сменные линзы, обеспечивающие фокусировку ИК излучения на пятне диаметром от 4 до 70 мм. Область нагрева нижнего нагревателя имеет размер 120 х 120 мм. Станции серии PDR 1500 идеально подходят для монтажа и демонтажа компонентов в корпусах BGA, Micro BGA, QFP, PLCC, SO 1С, SMD компонентов, а также разъемов .

Рис. 4. Паяльная система IR-X410

ЗАО ЦНИТИ «Техномаш-Трасса» выпускает установку ИК пайки SMD-TRASSA-5609, которая имеет пять зон нагрева. В зонах предварительного двустороннего нагрева плата нагревается до 100-270 °С, имеется возможность отключения нижних нагревателей. Установка снабжена микропроцессорной системой управления, позволяющей поддерживать заданные режимы пайки, сохранять в памяти до 9 температурных профилей, отображать значения всех параметров на жидкокристаллическом индикаторе, а также конвейером с регулируемой скоростью движения 1,0-3,0 м/мин. Время пайки 20-30 мин.

Фирмой Harotek AG (Швейцария) выпускается камерная печь ИК нагрева ECOSOLD 350 SUPERIOR (рис. 5) с комбинированной ИК и конвекционной системой нагрева, где используются два типа нагревателей: четыре ИК лампы по 1000 Вт сверху и шесть керамических нагревателя по 400 Вт снизу. Сочетание двух видов излучения - коротковолнового и длинноволнового, а также вентиляторов для подачи горячего воздуха в зону пайки позволяет уменьшить неравномерность нагрева платы и устранить эффект затенения компонентов с большими корпусами. Время предварительного нагрева 4 мин, оплавления - 3 мин. Подача плат в зону пайки автоматическая, производительность - до 40 европлат/ч. Установка имеет программное обеспечение компьютерного контроля режимов, графическое отображение термопрофиля и времени пайки на мониторе.

Наибольшую популярность получило технологическое оснащение фирмы ERSA, в частности конвекционно-инфракрасная настольная печь камерного типа для мелкосерийных производств ТТ-500А (рис. 6) , которая имеет 28 термопрофилей с возможностью их перепрограммирования.

Рис. 5. Камерная печь ИК нагрева ECOSOLD 350 SUPERIOR.

Рис. 6. Конвекционно-инфракрасная настольная печь ТТ-500А.

Размер плат, помещаемых в печь, до 330 х 400 мм с высотой компонентов на плате до 40 мм. Печь укомплектована двумя контактными термосенсорами для отладки термопрофилей, в дополнение к штатному измерителю температуры воздуха в центре камеры все показания режимов отображаются на ЖК-дисплее.

Универсальный центр ИК локального нагрева IR550A фирмы ERSA позволяет вести пайку и демонтаж SMD, в том числе в корпусах BGA, средствами встроенного модуля Digital2000A с опционными расширениями (MicroTool, Pincette40, PowerTool, CU100A, MIC608A) . Центр оснащен верхним ИК излучателем 800 Вт, интегрированным вентилятором охлаждения и нижним ИК излучателем 800 Вт для предварительного нагрева печатных плат. Поле верхнего ИК излучателя - 60 х 60 мм, нижнего - 135 х 260 мм. Имеются возможность регистрации термопрофиля в ПК, а также бесконтактное инфракрасное измерение температуры в рабочей зоне и конструкционная совместимость с видеоустановщиком PL550AU и системой RPC для визуального контроля процесса пайки в реальном времени.

ИК установки типа «Радуга», предназначенные для оплавления припойных паст при сборке плат с применением поверхностно-монтируемых компонентов, позволяют осуществляют пайку как с одной стороны, так и одновременно с двух сторон печатной платы. Установка для пайки «Радуга-10» состоит из нагревательной камеры с регулируемой температурой плоских нагревателей 100-300 °С и пульта управления (рис. 7). Конструкция установки предусматривает ручную подачу печатных плат на специальном подплатнике.

Конструктивно электрооборудование установки реализовано в виде отдельных блоков нагревателя и управления. Измеритель температуры, регулирующий (ТРМ-10), совместно с микропроцессорным управлением обеспечивают точность поддержания температуры. Значения температуры на поверхности нагревателей измеряются при помощи термопары ХК и используются в качестве входных параметров системы регулирования. Временной интервал пайки задается цифровым таймером МТЦ 3501. Контрольный измеритель температуры ИТ 2511 определяет температурный режим печи и интервал времени пайки.

Рис. 7. Установка для пайки «Радуга-10»

Конвейерная установка ИК пайки «Радуга-21» (рис. 8) состоит из 5-зонной нагревательной камеры с регулируемой по зонам температурой пайки инфракрасных нагревателей; конвейера с регулируемой скоростью для подачи печатных плат с установленными элементами в нагревательную камеру; пульта управления; загрузочного и разгрузочного устройств; электрооборудования. Установка имеет: ширину конвейера 400 мм, длину нагревательной камеры 1100 мм, регулировку скорости конвейера от 0,015 до 2 м/мин, равномерность нагрева платы шириной 350 мм - ±2 °С в направлении, перпендикулярном движению платы.

Рис. 8. Конвейерная установка ИК пайки «Радуга-21

Таким образом, для поверхностного монтажа все большое применение получают ИК паяльные установки, которые различаются по своим функциональным возможностям и способны эффективно выполнять монтаж и демонтаж компонентов в корпусах типа BGA, CSP, PGA, SOIC, QFP, PLCC. ИК нагрев выгодно отличается тем, что имеет более простое оборудование, которое намного экономичнее и более целесообразно для поверхностного монтажа современных изделий.

Оптимизация температурных профилей ИК нагрева

В устройствах ИК пайки, состоящих из нижнего нагревателя, размещенного под платой и предназначенного для предварительного нагрева ее до температуры 100 °С, и верхнего излучателя с системой фокусировки теплового излучения для нагрева монтируемых компонентов до температуры оплавления припоя в пределах 220-260 °С, необходима оптимизация температурных профилей (рис. 9).

Оптимизируются такие технологические параметры, как скорость нагрева в рабочей зоне в зависимости от мощности нагревателей и их расстояния до платы, интенсивность и локальность нагрева. В качестве образцов паяемых изделий используют печатные платы, в металлизированные отверстия которых закрепляют микротермопары типа ХК, соединенные с цифровыми измерителями температуры, либо платы с установленными SMD, такими, как чип резисторы, диоды, стабилитроны, конденсаторы, микросхемы.

Рис. 9. Схема оптимизации профилей ИК нагрева: 1 - плата, 2 - термопара, 3 - рефлектор, 4 - верхний нагреватель, 5 - маска, 6 - регулируемый блок питания, 7 - нижний ИК нагреватель, 8 - цифровой измеритель температуры

Скорость нагрева верхнего нагревателя мощностью 500 Вт с рефлектором составляет 3-5 °С/с; верхнего и нижнего нагревателя мощностью 500 Вт до 10 °С/с. Рост температуры в рабочей зоне пропорционален мощности нагревателя. Применение защитной маски повышает скорость нагрева до 15 °С/с за счет отражения, увеличивая степень локализации нагрева. Дальнейшее увеличение скорости нагрева возможно за счет улучшения качества параболических рефлекторов и повышения их отражающей способности.

Скорость роста температуры в зоне пайки снижается с увеличением расстояния от ИК нагревателя до платы: для верхнего с 6,4 °С/с при 15 мм до 3,2 °С/с при 35 мм (рис. 10), и с 12 °С/с при 10 мм до 3 °С/с при 40 мм (рис. 11). Скорость роста температуры медленно убывает при увеличении расстояния до нагревателя.

Исследуется равномерность тепловых полей зоны нагрева верхних и нижних ИК нагревателей. Изотермические зоны: центральная со скоростью нагрева >5 °С/с имеет форму круга, последующие зоны - овальные, что обусловлено прямоугольной формой рефлектора (рис. 12а). На рис. 126 изображены зоны теплового поля ИК нагревателя с маской прямоугольной формы 4x4 мм. Изотермы имеют квадратную форму со стороной: 6 мм при V>3 °C/c, 12 мм при V=2,2 °С/с и 18 мм при V < 1 °С/с. Применение экранов различной формы позволяет увеличить локальность нагрева без снижения ее скорости. Наибольшая скорость нагрева 15 °С/с достигается при снижении расстояния от платы до верхнего ИК нагревателя. Применение качественного отражающего рефлектора для ИК источника позволяет при той же интенсивности нагрева вдвое уменьшить потребляемую мощность и заменить водяное охлаждение воздушным принудительным.

Рис. 10. Температурные зависимости в зоне нагрева верхнего ИК излучателя при расстояниях до платы: 1 - 15 мм, 2 - 25 мм, 3 - 35 мм

Рис. 11. Температурные зависимости в зоне нагрева нижнего ИК излучателя при расстояниях до платы, мм: 1-10,2-20,3-30,4-40,5-50,6-60

Повышение локальности ИК нагрева за счет светоотражающей маски не оказывает существенного влияния на скорость нарастания температуры, уменьшая в целом только нагрев паяемой платы.

Оптимальные режимы ИК пайки следующие: предварительный нагрев нижним нагревателем платы до 90-110 °С со скоростью 6-8 °С/с, нагрев платы верхним и нижним нагревателями до температуры пайки со скоростью 10-14 °С/с. При необходимости локализации нагрева при пайке термочувствительных элементов может быть применена светоотражающая маска. Режимы пайки изделий оплавлением паяльных паст определяются температурным профилем, который оптимизирован для ИК печей (рис. 13).

Стадия предварительного нагрева снижает тепловой удар на электронные компоненты и печатные платы. В процессе предварительного нагрева происходит испарение растворителя из паяльной пасты при скорости роста температуры не более 1-3 °С/с. Высокая скорость нагрева может приводить к преждевременному испарению растворителя, входящего в состав паяльной пасты, и к целому ряду дефектов: повреждению компонентов за счет теплового удара, разбрызгиванию шариков припоя и возникновению перемычек припоя. Разница температуры предварительного нагрева и температуры оплавления не должна превышать 100 °С.

Стадия стабилизации активизирует флюсующую составляющую и удаляет избыток влаги из паяльной пасты. Повышение температуры на этой стадии происходит очень медленно для нагрева всех компонентов на плате до одинаковой температуры. На стадии активации флюса происходит удаление оксидной пленки с паяемых поверхностей. Время прохождения платой этапа активации флюса составляет 60-120 с. Если стадия стабилизации проводится недостаточное время, результатом могут быть дефекты типа «холодная пайка» и эффект «надгробного камня». Скорость роста температуры не должна превышать 0,6 °С/с.

На стадии оплавления температура повышается до расплавления паяльной пасты и происходит формирование паяного соединения. Для образования надежного паяного соединения максимальная температура пайки должна на 30-40 °С превышать точку плавления паяльной пасты и составлять 205-225 °С. Для предотвращения таких дефектов, как холодная пайка или перемычки припоя, необходимо выдержать температуру корпусов электронных компонентов выше температуры расплавления припоя в течение 60-150 с. На этапе пайки максимальная температура корпусов может держаться 10-30 с. Скорость ее роста от момента достижения платой температуры плавления припоя до максимальной температуры не должна превышать 1-3 °С/с.

Быстрое охлаждение уменьшает образование интерметаллидных соединений, однако нельзя забывать о термических напряжениях, приводящих к повреждению компонентов при слишком большой скорости охлаждения. Скорость охлаждения платы не должна превышать 6 °С/с. Окончательный выбор режимов производится исходя из конструкции печатной платы, типа и размеров компонентов, количества компонентов на печатной плате, особенностей используемого оборудования, результатов экспериментальных паек, типа паяльной пасты.



Литература

  1. Мэнгин Ч., Макклелланд С. Технология поверхностного монтажа. М.: Мир. 1990.
  2. Зворыкин Д. В., Прохоров Ю. И. Применение лучистого инфракрасного нагрева в электронной промышленности. М.: Энергия, 1980.
  3. Кундас С. П., Достанко А. П., Ануфриев Л. П. и др.Технология поверхностного монтажа / Минск: Армита. 2000.
  4. Manko Н. Н. Solders and Soldering: Materials, Design, Production and Analysis for Reliable Bonding. N.Y. 2000.
  5. Ланин В. Л., Капралов В. В. Инфракрасный нагрев в технологии поверхностного монтажа // Проблемы проектирования и производства радиоэлектронных средств: Материалы III Международной научно-техн. конф. Т. 1. Новополоцк. 2004. С. 81-84.
  6. Ланин В. Л., Хилькевич А. Н. Двусторонний поверхностный монтаж электронных модулей // Известия Белорусской инженерной академии. 2003. № 1(15)/4. С. 145-147.
  7. Ланин В. Л. Эффективность нагрева концентрированными потоками энергии при пайке в электронике // Электронная обработка материалов. 2002. № 2. С. 17- 20.

паяльная станция от LDZ. Она работает как с софтом - IRSoft-2.14 (подключение к компьютеру), так и в локальном режиме. Имеет в локальном режиме 10 термопрофилей. Настраивается довольно легко. небольшое руководство по настройке, ниже.

Вылаживаю печатку (сделана под терморезисторы и USB порт) и пару других печаток, найденных на просторах интернета, так же софт, прошивки, схемы. Не забываем прошивать eeprom в процессор, иначе не заведется. Дополнительная документация то температурам, профилям и т.п. будет ниже. Схема под USB порт, на FT232 , драйвера приложил в архиве.

Пару фото готовых модулей, силовой части и микроконтроллерной radioservice.at.ua:



Фото печатки под дешевый китайский дисплей 1602:



Описаний по меню станции и её настройке

Включаем. В конце заставки зажимаем кнопку "Влево" секунд на пять, (не путать с "Право" - это обнуление еепром). Будет меню "Service". Кнопками "Вверх" и "Вниз" настраиваем текущее значение. Переход к следующему значению - кнопка вправо. Значения там такие:

p1 (50%-100%) - мощность верхнего нагревателя между T0 и T1 по графику,

p2 (50%-100%) - мощность верхнего нагревателя между T1 и T3 по графику,

pGain (0-255) - коэффициент пропорциональности,

iGain (0-255) - коэффициент интегрирования,

dGain (0-255) - коэффициент дифференцирования,

Tpid (10-30) - период ПИД,

pBH (50%-100%) - мощность нижнего нагревателя.

kBH - коэффициент нижнего нагревателя, если он минимальный греет низом дольше.

В конце покажет "Saved..." и само выйдет из меню. Если нужно подкорректировать заданные значения повторяем процедуру,(включаем, зажимаем и т.д.)

пример настройки пид (p1=80,p2=80,pGain=160,iGain=2,dGain=30,Tpid=10, pBH=70.)

Пид настроить реально, у меня он ровненько держал верх.

На низу обычный Прегулятор- меняя мощность вы получите скорость выхода низа на заданную температуру, (уменьшите на 50% и посмотрите время, потом на 80-90% и тоже засеките время и так узнаете нужную вам) немного волна в начале будет но потом выровняется и дальше все время ровненько держит.

На верху Р1 и Р2 это мощность верха на шагах профиля, то есть уменьшайте сначала их чтоб график (температура не доходила до заданной на 1-2градуса) и потом меняя -pGain-добейтесь чтоб температура дошла ровненько без заскоков до заданной) -меняя pGain-вы делаете как бы круче или положе график, то есть время выхода на заданную температуру,

потом меняйте iGain, dGain чтоб был ровненькая полка удержания без провалов и заскоков. Tpid-у меня по умолчанию стоял, его не стал крутить сильно.

Просто представьте, что у нас идут импульсы на открытие симистора, так вот -iGain -это расстояние между этими импульсами, меняя ее мы делаем больше или меньше импульсов в единицу времени, то есть меняя ее мы делаем больше или меньше импульсов на открытие симистора, а –dGain - это ширина этого импульса – то есть чем больше она - тем больше времени будет симистор открыт. Это конечно грубо описал, не научно - но мне помогло тогда. У меня в параллель оптопаре светодиоды стояли, видно как работает симистор.

Потом еще немного мощности под репетируете и будет держать пид. Оно видно как идет нагрев, светодиод горит, не доходя 4-5гр начинает моргать, то есть сброс мощности начинается и начинает работать пид, и плавно выходит на заданную температуру, не переставая моргать и держит - светодиод при этом постоянно моргает.

А так если не настроен пид, да еще и мощности много, начинает греть, потом перескакивает заданную температуру, тэны отключаются, идет остывание, упала температура, включился нагрев, но тэны то остыли и пока не греются, идет провал температуры, и потом все заново с перегревом.

Я долго морочился (неделю мозги парил,4 платы черными стали, (по 20-40раз греть их) зато потом все четко работало, почти автомат, тупо поставил – покурил - снял чип – выключил, температуру держал четко. Один градус иногда падение было в конце полки и не градуса перегрева.

Разъяснения по опциям для редактирования или создания своих термопрофилей в программе IrSoft:

T0 температура включения верхнего нагревателя
TB температура нижнего нагревателя
T1 температура активации флюса
S1 время выдержки при температуре Т1
T2 не используется
TL не используется
S2 не используется
T3 температура верхнего нагревателя
S3 время выдержки при температуре Т3

Еще одна метода настройки ПИД

Пример настройки одного канала:

*Выставляем оба подстроечных резистора (многооборотные) примерно в среднее положение
*Подключаем мост сопротивлений к настраиваемому каналу с значением 100 Ом
*Включаем контроллер и регулировкой нижней границы выставляем 0 С на индикаторе
*По таблице выставляем сопротивление соответствующее максимальной температуре для данного канала (например 150 или 250 С)
*Регулировкой верхней границы выставляем нужные показания.
*Снова выставляем 100 Ом и корректируем показания (регулятором нижней границы) до 0 С
*Повторяем регулировку на значениях соответствующих максимальной температуре канала.
*Выставляем сопротивление соответствующее, например 100 С (примерно 138,5...139 Ом для PT-100) подстраиваем показания для усреднения разброса.
*Повторяем настройку 2-3 раза.

Дополнение:
Позже отказался от магазина сопротивлений и сделал три заготовки 0 С _ 100 С _ 200 С, каждая из двух многооборотных резисторов последовательно. Например 330 + 47 Ом.

Печатные платы:



Прилагаю прогу для прошивки FT232, т.е. в памяти 93с46 и даю мой вариант прошивки, можно редактировать под себя.