Laserové selektivní pájení v elektronice

Hromadné pájení elektronických sestav v posledním období prožívá jakousi renezanci způsobenou jak proměnami součástkové základny, tak změnami na úrovni nosičů součástek. Jednou z pájecích metod, která vzbuzuje vedle např. selektivního pájení stále větší zájem, je laserové pájení. Už při navrhování sestav je však třeba brát v úvahu řadu aspektů, z nichž některé mohou být vyřešeny ve fázi návrhu, ale jiné na základě výsledků experimentů.

Nejprve analyzujme zdroj laseru, který je zdrojem veškeré energie pro proces pájení. Dostupné polovodičové lasery se jeví jako dostatečné. Pro proces pájení jsou nejvhodnější o výkonu kolem 60 W. Tento výkon snadno prohřeje objemné kovové části a dokáže roztavit výplňový materiál. Bylo zjištěno, že vlnové délky v rozsahu 970 nm až 0,64 nm jsou nejlepší z hlediska jak minimalizace odrazu, tak pro dosažení dobré, konstantní absorpce energie materiály, které mají být spojeny. Světelný tok, který vychází z optického systému, musí být stejnoměrný. Pokud tomu tak není, nemusí být prohřívání pájeného místa dostatečné, což vede k dalším vlivům, které mohou narušit kvalitu a opakovatelnost procesu pájení.

Paprsek vystupuje z válcového zdroje, který je připojen k optice prostřednictvím optického vlákna. Vlákno se musí pečlivě vybírat, aby byly korigovány odchylky mezi ideálním a skutečným paprskem v závislosti na typu použitého zdroje. Rovněž také musí transformovat paprsek z válcového na kuželový (obr. 1), který musí být během pájení zaostřen do jednoho bodu. Tento bod musí být variabilní podle požadavků procesu. Změnou vzdálenosti mezi optikou a místem dopadu (obr. 1) se dosahuje variabilního průměru laserového paprsku na ohřívaném povrchu, a tím efektivního stanovení intenzity použité energie.

Stejně jako v procesu tvrdého pájení i u pájení laserem musí být proces rozdělen na přesné etapy, které kopírují skutečný teplotní profil: předehřívání, roztavení spojovacího materiálu, aktivaci tavidla, udržování tekutého stavu kvůli správné smáčivosti a konečně vytvoření správné tloušťky intermetalické vazby nezbytné nejen k zajištění elektrické propustnosti, ale především k dosažení dobré mechanické pevnosti spoje. Kvalita zapájeného bodu závisí na realizaci teplotního profilu a jeho časovém dodržování. Proto se do systému vkládá senzor, který poskytuje nepřetržitou zpětnou vazbu o teplotě pájeného bodu. K tomuto účelu slouží přesný optický pyrometr, který sleduje teplotu pájeného bodu a reguluje výkon, intenzitu a doby v zadaném procesu.

Jelikož intenzita použité energie závisí na výkonu použitého zdroje a na povrchu, kam je tato energie přenášena, je třeba sledovat postupně všechny parametry. Okamžitý výkon zdroje je faktor, který lze velmi snadno ovládat řídicí jednotkou. Aby bylo možné řídit provádění aplikace opakovaně a nepřetržitě, je třeba znát vždy přesnou výšku osazované desky a kompenzovat jakékoliv její deformace a deformace způsobené tepelnými vlivy. Proto se do systému vkládá snímač, který měří skutečnou vzdálenost mezi optikou a povrchem desky (obr. 3).

Posledním faktorem je výplňový materiál. Používá se drát obsahující tavidlo, určený speciálně pro pájení laserem. K dispozici jsou olovnaté i bezolovnaté varianty. Dávkování drátu je choulostivý proces: programátor procesu musí definovat přesnou dobu dávkování, množství a směr podávání drátu. Rovněž je třeba tento směr měnit i v průběhu dávkování, aby pájka smáčela celý vývod a došlo k případnému přetavení. Aby byl zajištěn i tento požadavek, systém je vybaven přesným podavačem drátu.

V této souvislosti je třeba poznamenat, že pro dosažení perfektní opakovatelnosti procesu je důležité, aby systém byl schopen přesně dávkovat materiál pomocí měření délky podávaného drátu. Jelikož profil špičky drátu je pozůstatkem pájení předchozího bodu, nikdy není v konstantní vzdálenosti od desky. Podavač musí být schopen tento faktor kompenzovat a předcházet tak nepřesnému dávkování materiálu do pájeného spoje (obr. 4).

Závěr

Pájení laserem je technologie, která může významně pomoci tam, kde se vyrábí velké objemy elektroniky s vysokými nároky na kvalitu a reprodukovatelnost, a tam, kde je potřeba pájet obtížně přístupná místa. Typickým příkladem současnosti je automobilový průmysl s často velmi specifickými požadavky na elektronickou sestavu. Zařízení pro selektivní pájení laserem se musí snadno včlenit do výrobní linky a musí být schopno pracovat z horní nebo spodní strany sestavy, ve zvláštních případech z obou stran najednou. Nezanedbatelnou předností této technologie je nízká spotřeba elektrické energie (obecně do 2,5 kW), jelikož nejsou zapotřebí žádné lázně z tekutého kovu. Systémy jsou pro operátory mimořádně bezpečné a díky integrovaným bezpečnostním opatřením a ochranám jsou zařazeny do třídy 1 (podobně jako např. CD přehrávače). Vhodné systémy mají malé nároky na půdorysnou plochu a jejich kontrolní mechanismy zabezpečují vysoký výkon s minimálním objemem činností souvisejících s kontrolou a údržbou.