Существуют две технологические разновидности смешанного монтажа электрорадиоизделий (ЭРИ) — в отверстия и на поверхность. Первая предполагает использование паяльных паст, наносимых одним из двух способов:

• последовательно с обеих сторон платы через различные трафареты с последующей установкой ЭРИ и поверхностно-монтируемых изделий (ПМИ) только с одной стороны платы (рис. 1, а);
• через единый трафарет на одну сторону платы с последующей установкой ЭРИ и ПМИ на разные стороны платы таким образом, чтобы процесс одновременного оплавления пасты на плате для ПМИ происходил в потолочном положении (рис. 1, б).

Рис. 1. Технология смешанного монтажа: а - установка элементов с одной стороны платы; б - установка элементов с двух сторон платы

Второй вариант, несмотря на очевидные конструктивно-технологические преимущества, более трудоемок в связи со сложной топологией трафарета и необходимостью использования паст со специфической реологией [1, 2]. Дело в том, что прокалывание нанесенной пасты штырьковым выводом со стороны, обратной ее нанесению, требует не только надежного ее удержания на контакте, но и свободного прохождения вывода через пасту, не вызывающего не только ее отслоения, но и частичного вырывания пасты торцом вывода. Более того, совместное оплавление ЭРИ и ПМИ, когда последние находятся в потолочном положении, требует высокой адгезии пасты к плате и корпусу ПМИ, способной удержать при оплавлении такие «тяжелые» элементы, как, например, танталовые конденсаторы и т. п.

Установлено, что данный процесс надежно реализуется за счет адгезии готовой пасты, разработанной одним из авторов [1, 2]. Измерения методом граммометрического отрыва в направлении силы тяжести показали, что фиксированный с помощью пасты электрод, площадью 50 мм², отрывается с усилием более 0,35 г/мм². Следует отметить, что усилие отрыва электрода на стандартных зарубежных пастах обычно не превышает 0,2 г/мм².

Строго говоря, определяемая величина не является адгезией, поскольку отрыв всегда происходит по когезионным связям и на поверхности подложки остается молекулярный слой, собственно и характеризующий адгезию. Эффект влияния адгезионных связей частично удалось устранить за счет введения в основу композиции пасты тетрафункциональных компонентов, которые, исходя из общих представлений о химическом синтезе, могли бы повысить «внутреннее» когезионное взаимодействие. Данная модификация пасты позволила существенным образом улучшить ее реологические характеристики, что резко сократило количество случайных отрывов пасты при установке штырьковых элементов.

Вторая разновидность смешанного монтажа, по существу, представляет комбинированный метод, при котором ПМИ предварительно монтируются на термоотверждаемый клей; затем штырьковые элементы устанавливают с обратной стороны платы, и производится пайка двойной или одинарной волной припоя.

При использовании одинарной волны несколько меняется топология контактов под ПМИ. Выступающие за пределы ПМИ плоскости контактов должны иметь размер с учетом «контактного радиуса» (rk) деформируемой корпусом ПМИ поверхности волны жидкого припоя (рис. 2).

Рис. 2. К понятию "контактного радиуса" ПМИ

Выступающий размер контактной площадки а за пределы корпуса Lэ должен быть на 0,1–0,15 мм больше высоты элемента h, чтобы деформированный корпусом гребень волны мог «зацепиться» за край контактной площадки и обеспечить ее смачивание. В общем случае, с учетом подъема элемента на клее, габаритный размер контактных площадок Lк, вводимый в базу данных проектирования, должен составлять

Lк = Lэ + (2h + 0,4),

где h = a = rк.

При этом качество пайки ПМИ одинарной волной существенно выше, чем при пайке двойной волной (по внешнему виду со «скелетными очертаниями»).

Для данной технологии широкое распространение получил импортный тиксотропный клей ASAHI CA-35, обладающий прекрасным комплексом технологических и реологических характеристик, способный, как показал опыт его применения в АОЗТ «ММП-ИБРИС», к надежному отверждению в нестационарном режиме термообработки в печи оплавления на исходных температурных параметрах зонной печи Heller, но при повышенной скорости конвейера до 0,3–0,35 м/мин, соответствующей дифференциальному времени пребывания в интервале нарастания температуры от 140 до 230° С в течение 3–4 мин. При этом температурном режиме отпадает необходимость использования специальной печи для отверждения клея, что позволяет существенно повысить производительность труда в сравнении с рекомендованным стационарным отверждением.

Данный клей практически не имеет недостатков, если не принимать во внимание экологические аспекты работы с бис-фенол-эпоксидными материалами. Однако у него есть некое преимущество, возведенное в ранг «недостатка».

Дело в том, что данный клей разработан как термо- и светоотверждаемый материал. Поэтому при дифференциальной технологии трафаретной печати и установки ПМИ платы с нанесенным клеем должны быть закрыты от прямого солнечного света и местных ламп дневного освещения, что создает определенные производственные проблемы. Но есть еще одно существенное обстоятельство — минимальная стоимость клея при мелкооптовой продаже картриджами по 300 см3 варьируется от 400 USD/кг, и далеко не каждый производитель может использовать данный объем в пределах срока его годности. «Домашняя» мелкая расфасовка клея отдельными российскими дилерами, проникнутыми заботой о процветании отечественного производителя, реализуется по ценам... на порядок превышающим цены на элитную парижскую парфюмерию!

В связи с этим в рамках договора между «ММП-ИРБИС» и ВИАМ совместно с ИХФ РАН был разработан отечественный эпоксидный термоотверждаемый клей ТПК-14.

Основные характеристики клея ТПК-14:

• ТПК-14 — одноупаковочный клей, в состав которого входит эпоксидная смола с латентным отвердителем. Латентные отвердители обладают высокой активностью при повышенных температурах и обеспечивают стабильность клеевых композиций при длительном хранении в обычных условиях. При комнатной температуре клей сохраняет свои эксплуатационные качества в течение 30–40 дней, а при температуре 2–4° С срок хранения превышает 4 месяца.
• Разработаны рецептуры, содержащие краситель, а также различные добавки, обеспечивающие определенные тиксотропные свойства. В отсутствие красителя клей имеет светло-кремовую окраску. Красный краситель вводится для удобства поверхностного монтажа на плате. По желанию заказчика цвет клеевой композиции может быть изменен. Тиксотропные добавки позволяют уменьшить растекаемость капли, не препятствуя продавливанию клея через малые отверстия. При нанесении капли клей не тянется с образованием «хвоста». Характерной особенностью данного клея является его преимущественное растекание по неметаллическим материалам, что практически исключает попадание клея на контактные площадки при отверждающем нагреве.
• Принципиально важными для технологии поверхностного монтажа являются температурно-временные параметры процесса отверждения клеевой композиции. В условиях нестационарного температурного режима, реализуемого при воздействии на плату температурного профиля с подъемом температуры от 100 до 230° С, клей отверждается за 6–7 мин.

Для сравнительной оценки процесса отверждения клея ТПК-14 и ASAHI CA-35 использовали метод динамического термомеханического анализа. Динамические (реологические) характеристики отверждаемых систем (G', G'', h) измеряли с помощью реоспектрометра «Instron» 3250. На рис. 3 приведена зависимость log G' и G'', а также h от температуры, при скорости подъема температуры 2 град/мин. (G' и G'' — действительный и мнимый компоненты комплексного модуля упругости G*.) Как видно из данных рис. 3, а, клей ТПК-14 начинает отверждаться при температуре, превышающей 80° С, о чем свидетельствует возрастание вязкости и модуля упругости отверждаемого клея, максимальная скорость отверждения достигается при Тmax = 113° С (определяется как точка пересечения кривых G' и G'').

Рис. 3. Термомеханические кривые. а - ТПК-14; б - ASAHI CA-35

Соответствующие данные для клея ASAHI CA-35 (рис. 3, б) показывают, что отверждение происходит в более мягких условиях. Температурой начала процесса отверждения можно считать 45° С, Тmax = 83° С.

Клей ТПК-14 успешно внедрен на АОЗТ «ММП-ИРБИС» при смешанном монтаже одиночной волной Treiber в среднесерийном производстве (до 10 000 узлов/месяц). Стоимость клея ТПК-14 ниже рыночной и в перспективе, при установившемся производстве, составит всего 200–300 руб./кг.

Литература

1. Парфенов А. Н. Технологические материалы для поверхностного монтажа. «Электронные компоненты», № 4, 1999.
2. Лукин А. В., Парфенов А. Н. Сравнительные коррозионные испытания узлов на поверхностном монтаже. «Электронные компоненты», № 5, 1999.
3. Парфенов А. Н. Феноменологические особенности реологии паяльных паст. Материалы юбилейного семинара «Современное состояние пайки». ЦРДЗ, М., 1999