Обзор характеристик инфракрасных паяльных станций

В этой статье рассмотрим:

• Система термонагрева
  • Верхний нагреватель
  • Нижний преднагреватель
  • Нижний локальный подогреватель
• Система удержания платы
• Система позиционирования
  • Ручное позиционирование
  • Оптическое позиционирование
• Основной функционал
  • Контроль температуры
  • Встроенный вентилятор охлаждения
  • Пользовательский интерфейс
• Профилирование режимов нагрева
• Автоматизация
• Дополнительный функционал
  • Освещение
  • Внешние температурные датчики
  • Вакуумный пинцет
  • Столик для микрочипа
  • Выдвижной экран
  • Дополнительное паяльное оборудование
• Ценовой сегмент
• Заключение

Неподготовленному человеку сложно сделать самостоятельный выбор инфракрасной паяльной станции (ИКПС). В первую очередь это связано с большим числом производителей и разнообразием существующих моделей.

В целом принцип работы всех ИКПС практически схож, однако они могут существенно различаться как конструктивно, так и в функционале. Всё это напрямую влияет на габариты и вес всей конструкции, скорость и качество выполняемых операций, а также общее удобство использования.

Конструктивное исполнение, основной, а также дополнительный функционал – на все это нужно обращать своё внимание при выборе ИКПС.

Давайте разберемся с этим подробнее.

ИК паяльные станции сочетают в себе комплекс нагревательных элементов, выполняющих строго отведенные для них функции с четким контролем режима нагрева. К ним относятся: верхний термонагреватель, нижний преднагреватель, а также нижний локальный подогреватель.

Самым простым источником ИК излучения являются лампы накаливания (ЛН). В ИКПС могут применяться их улучшенная версия – галогеновые лампы. Галогеновые лампы для верхних нагревателей используют в установках низкого ценового сегмента. К их особенностям можно отнести:

• низкую стоимость;
• простоту конструкции;
• малый срок службы (2000-4000 час);
• пожароопасность (из-за высокой температуры нагрева);
• яркий слепящий свет.

Совершенствование конструкции низкотемпературных (тёмных) электронагревательных элементов привело к разработке инфракрасных керамических нагревателей (ИК КН). По сравнению с галогеновыми ИК источниками керамические электронагреватели обладают целым рядом преимуществ:

• длительный срок службы (150 – 250 тыс. час.);
• пожаробезопасность (рабочие температуры не превышают 300 °C);
• отсутствие слепящего света;
• большая тепловая мощность (400 - 450 Вт);
• возможность точного контроля температуры нагревательного элемента (НЭ).

К их недостаткам относятся: более высокая стоимость, неремонтопригодность, длительный процесс нагрева и охлаждения, а также наличие зон локального перегрева.

Хотя ПС и называют инфракрасными, однако для нагрева микросхем могут использоваться не только нагреватели излучающие инфракрасное излучение, но и термовоздушные. В таких устройствах используется открытый электронагреватель из нихромовой проволоки. Через него прогоняется воздух, нагнетаемый вентилятором, а затем подается в рабочую область. Такой способ передачи тепла называется конвективным.

Термовоздушный нагрев реализуется в моделях среднего и высокого ценового сегмента. К его преимуществам можно отнести:

• равномерность нагрева по всей площади рабочей зоны;
• точный контроль температуры потока воздуха;
• ремонтопригодность электронагревателя;
• более высокие рабочие температуры (до 480°C);
• быстрый нагрев и охлаждение;
• большая тепловая мощность (до 1450 Вт).

К его недостаткам можно отнести только более высокую цену, а также значительно большие габаритные размеры.

Ниже приведены устройства различающиеся типом верхнего термонагревателя.

В моделях простой конструкции перемещение нагревателей осуществляется вручную вращением специальных винтов. Установки средней и высокой ценовой категории могут оборудоваться электрическим приводом перемещения верхнего термонагревателя.

Все паяльные ИК станции оборудованы нижним преднагревателем. Его функция – обеспечить равномерный нагрев всей печатной платы (PCB), что дает возможность избежать образования критических температурных деформаций, приводящих к повреждению PCB (микротрещины расслоение, отрыв контактных площадок и пр.).

Большинство моделей оборудуется керамическими нагревательными элементами. Равномерно размещаемыми по поверхности ПС. Однако более современные модели конструируются с кварцевыми нагревателями. Благодаря своей конструкции они быстро нагреваются и остывают, что позволяет лучше контролировать динамику прогрева PCB. Для повышения срока службы, в современных кварцевых нагревателях, используется карбоновое (углеродное) волокно.

Для снижения нагрузки на электронные компоненты ПС, включение нижних преднагревателей может выполняться группами (секциями).

Для повышения концентрации тепла в зоне пайки, в центре преднагревателя может размещаться дополнительный электронагреватель. Он может быть как керамическим, так и термовоздушным. Термовоздушные подогреватели оборудуются специальными насадками для концентрации воздушного потока. Дополнительно локальный подогреватель оборудуется механизмом перемещения по высоте.

Конструкция, используемая для удержания PCB, не менее важна, чем другие элементы ПС. Её предназначение - фиксация платы в заданном положении на все время выполняемых операций.

По способу размещения все удерживающие системы можно разделить на три вида:

• накладные – размещаются свободно на поверхности основания и не фиксируются на нем;
• приставные – устанавливаются на стол, над поверхностью основания установки;
• встроенные – жестко размещены на основании.

Также удерживающие устройства, в зависимости от точности позиционирования PCB, можно разделить:

• без регулировки позиции платы;
• с грубой регулировкой;
• с точной регулировкой.

Последние – оборудуются микрометрическими винтами, позволяющими изменять положение PCB с точностью до 0,01 мм. Эта особенность конструкции используется в системе позиционирования для максимально точного размещения микрочипа.

Практически во всех ИКПС применяются подвижные универсальные держатели. С их помощью можно фиксировать PCB как в упор, так и через монтажные отверстия, размещенные на ней.

Система точного позиционирования применяется перед пайкой. Она обеспечивает совпадение положения контактных площадок платы и чипа. Это позволяет предотвратить появление таких дефектов пайки, как непропай и замыкание соседних площадок вызванное смещение компонента.

Выделяют ручное и оптическое позиционирование.

Технология ручного позиционирования заключается в установке микрочипа в зоне его размещения и ручной корректировке положения с визуальным контролем выполняемой операции.Однако такая технология актуальна при расстояниях между контактными площадками чипа до 1 мм. При более высокой плотности требуется применение специальных технических средств, повышающих точность размещения чипа.

Входящие в систему удержания PCB микрометрические винты используются в оптической системе позиционирования. Помимо них к ней относятся:

• встроенный в верхний термонагреватель вакуумный пинцет;
• микрометрический винт вращения вакуумного пинцета;
• лазерный указатель;
• монитор;
• видеокамера;
• привод перемещения видеокамеры (опционально).

Технология оптического позиционирования заключается в совмещении контактных площадок микросхемы и платы. Последовательность операций при этом следующая:

1. печатная плата размещается и фиксируется в держателях.
2. PCB перемещают в центр рабочего стола таким образом, чтобы лазерный луч указывал в середину области размещения чипа;
3. на специальную площадку (при наличии таковой) или на место его размещения выкладывается микрочип;
4. далее включают режим захвата (подбора) чипа вакуумным пинцетом;
5. после этого вручную или автоматически (при наличии электрического привода) выдвигается видеокамера;
6. при вращении микрометрических винтов совмещаются изображения контактных площадок печатной платы и чипа;
7. убирается видеокамера и запускается процесс размещения чипа и выполняется последующая пайка.

Все паяльные ИК станции имеют схожий принцип работы и функционал. Во всех в них реализован тот или иной контроль работы электронагревательных элементов, они имеют пользовательский (человеко-машинный) интерфейс, а некоторые оборудованы электроприводом отдельных элементов.

Контроль нагрева важен на каждом этапе выполнения пайки или демонтажа микрочипа. Слишком интенсивный или неконтролируемый нагрев может привести к повреждению как самого чипа, так и печатной платы.

В ИК ПС могут применяться: контроллеры (регуляторы) температуры, программируемые контроллеры и программируемые логические контроллеры (ПЛК).

Непрограммируемые контроллеры , подобные XMTG-8000 обладают минимальным функционалом. В них возможно установить только конечную температуру и задать динамику ее изменения. Такие устройства применяются в ПС нижней ценовой категории (ACHI IR 6500, Dinghua DH-A01R и др.), а также в установках средней категории для контроля работы нижнего преднагревателя.

Программируемые контроллеры применяются в профилировании динамики нагрева. В качестве примера можно рассмотреть контроллер PC410. Это устройство может хранить до 10 температурных профилей с 8 ступенями нагрева. Такие контроллеры широко применяются во многих ИКПС, например, таких, как ACHI IR 6500, Dinghua IR6500, Ly IR8500 и других.

Использование программируемых логических контроллеров расширяют функционал установок. Они дают возможность:

• повысить точность контроля температуры (до 1...0,5 °C);
• использовать протоколы обмена данными RS-232, RS-422 и RS-485;
• подключать дополнительные модули (управление внешними устройствами, визуализация и т.п.).

ПЛК используют во всех моделях высокого ценового сегмента и части среднего, например в таких, как: Dinghua DH-G620, WISDOMSHOW WDS-520, LeiKe BK LK-T6, а также другие.

В процессе пайки важны не только нагрев, но и охлаждение. Особенно это актуально при применении бессвинцовых припоев. Нарушение режима охлаждения способно вызвать растрескивание припоя, что приводит к снижению проводимости соединения или даже его разрыву. В связи с этим большинство установок оборудовано встроенным тангенциальным вентилятором охлаждения.

Пользовательский интерфейс включает в себя все доступные оператору органы управления. Он позволяет оператору эффективно и удобно управлять всем процессом.

Во многих установках применяются кнопки, переключатели и рычаги. Для удобства ориентирования рядом с каждой выполнена сопроводительная надпись.

В моделях с ПЛК также реализована возможность управления посредством тачскрина (сенсорного дисплея). Сенсорный экран позволяет оперативно отслеживать и контролировать режимы работы, а также расширяет возможности в управлении станцией.

Использование температурных профилей позволяет выполнять пайку в максимальном соответствии с технологическими требованиями, соблюдая режимы предварительного нагрева, пайки и охлаждения.

Большинство моделей, оснащенных PLC (ПЛК), позволяют настраивать до восьми ступеней термопрофиля для каждого термонагревателя. В каждой ступени оператором задаются: конечная температура, скорость ее роста (шаг и его длительность).

Автоматизация работы инфракрасных паяльных станций сводится не только к контролю нагрева, но и к управлению работой других элементов:

• перемещению верхнего нагревателя;
• выдвижению и складываниювидеокамеры;
• работой вакуумного пинцета.

Это позволяет максимально автоматизировать процесс работы: подбор, выкладка и пайка. Оператору остается только выровнять микрочип относительно PCB.

Наличие дополнительного функционала позволяет повысить удобство работы, расширить рабочие возможности ПС, а также освободить рабочее место.

Достаточный уровень освещенности улучшает условия труда и позволяет оператору лучше контролировать выполнение рабочих процессов. Дополнительное освещение, в большинстве установок реализовано одним или двумя гибкими светильниками типа «гусиная шея». Однако есть модели со стационарными источниками света, а также с комбинированными.

Большая часть ИКПС оснащено разъемом для подключения внешнего температурного датчика. Его основное предназначение – фиксация фактической температуры в зоне пайки или иных чувствительных к перегреву элементах.

Однако некоторые инфракрасные ПС, оборудуются тремя, четырьмя и даже с пятью разъемами для подключения внешних температурных датчиков. Такое число внешних датчиков предоставляет возможность выполнять разработку собственных термопрофилей. Это актуально при использовании специальных чипов, плат или припоев.

Это устройство для большинства станций стало естественным дополнением. Практически каждая из них оборудуется вакуумным пинцетом.

По способу размещения все установки можно разделить на три типа:

• без вакуумного пинцета;
• со встроенным боковым вакуумным пинцетом;
• с вакуумным пинцетом, встроенным в верхний термонагреватель.

Последний способ размещения применяется в автоматизированных моделях, способных к автоматическому подбору и укладке микрочипов.

Это удобная опция, позволяющая устройству подбирать и выкладывать микрочип на чистую, ровную поверхность. Специальные площадки для микрочипа выполняют на таких моделях, как Dinghua DH-A2E, WISDOMSHOW WDS-750, и Shuttlestar SV-650A.

Ряд ИК паяльных станций имеют оригинальную конструкцию, позволяющую выдвигать и прятать сенсорный экран. Такая конструкция не только обеспечивает защиту экрана от случайных повреждений, но и значительно уменьшает габариты всей конструкции , что часто актуально для небольших рабочих зон. Эта конструктивная особенность реализована в таких моделях, как ACHI IR12000, Shuttlestar SV-650, WISDOMSHOW WDS-800 и других.

Ряд установок оборудуются паяльником или даже термофеном. Такие конструкции часто проектируются для нижней ценовой категории. Преимуществом таких паяльных станций является универсальность проводимых на них операций, экономия рабочего пространства и удобство. Ведь все паяльное оборудование находится сразу под рукой.

Для малых ремонтных предприятий и рядовых пользователей стоимость инфракрасной ПС является приоритетной. Если бюджет существенно ограничен, то придется отказаться от некоторых дополнительных функций ИКПС. В такой ситуации стоит обращать внимание на способ контроля температуры, а также тип и мощность используемых нагревательных элементов. Тем, кто готов платить за качество и функционал, следует уделить внимание всем характеристикам.