Устройство для контроля паяемости при низкотемпературной пайке

Патент 791475

Авторы

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (tij791475 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (51)М. Кл. (22) Заявлено 220979 (21) 2665149/25-27 с присоединением заявки №

В 23 К 1/00

В 23 К 1/08

Государствеииый комитет

СССР оо делам изобретений и открытий (23) Приоритет

Опубликовано 30.1280. Бюллетень ¹ 48

Дата опубликования описания 30.1280 (53) УДК 621. 791. 35

{088.8) (72) Авторы изобретения

В.Г. Подлесных и М.A. Ткачев (71) Заявитель

Московский институт электронного машиностроения (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПАЯЕМОСТИ

ПРИ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ ПАЙКЕ

Изобретение относится к области пайки выводов электройных приборов на печатные монтажные платы. Оно может быть использовано также при пайке других типов изделий в приборои машиностроении.

Известно устройство.для контроля паяемости при ниэкотемпературной пайке (11.

Оно содержит ванну с припоем, механизм погружения образца в припой, зажим с сбразцом, закрепленным на конце рычага, другой конец которого имеет воэможность шарнирно поворачиваться вокруг горизонтальной Оси, При этом образец вводится в ванну с припоем по касательной к ее поверхности, Недостатком ".òîãî устройства явля- Ю ется несовершенс тво операции контроля паяемости, которая осуществляется визуально путем подсчета относ ительной площади несмо ен ных припоем участков и сравнения с эталоном. 25

Это не позволяет контролировать время смачивания и целый ряд других .количественных харак серистик паяемости. Кроме того, устройство малопроизводительно; на результаты конт QQ роля влияет субъективный фактор, а сами результаты устройством не документируются (не регистрируются в. виде графической или цифровой информации). Все это в итоге приводит к снижению качества пайки, т-ак как затрудняет Bblf ор оптимальных ее условий.

Извeñòío устройство для контроля паяемости (2), содержащее ванну с припоем, механизм погру же ния образца, ванну с флюсом. Привод обеспечивает поочере.-,ное гогружение образца во флюс и припой с промежуточной сушкой флюса. Погружение образца осуществляется ве " и,сально.

Недостаткол- данного устройства. аакже являетск визуальная оценка паяемости, которая выполняется при десятикратном увели - енин по числу несмоче нных участков . Это за трудня ет выбор оптимальных условий и тем самя4 снижается качество пайки. Кроме того испольэултся статистические методы обработки результатов измерений проце. .та несмоче иной плошади.

Это требует накопления соответствующего количества результатов измерений, что снижает производительность и оперативность контроля.

791475

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является устройство для контроля паяемости (Менискограф ), содержащее ванну припоя с механизмом вертикального вознратно-поступательного перемещения, подвеску с зажимом для крепленин образца и датчик усилия, электрически связанный с самопишущим прирором (3 j . Менискограф позволяет регистрировать на диаграммной ленте самописца и затем измерять важные характеристики.

Недостатком устройства является ограниченный объем получаемой контрольной информации, так как оно не позволяет контролировать такие важные для оценки паяемости параметры, как работа адгезии, работа когезии и работа, затрачиваемая на облуживание, Не позволяет оно также давать оценку разницы краевых углов смачивания при погружении образца в припой (краевой угол натекания) и извлечении его иэ припоя (краевой угол оттекания) . Эта разница также характеризует паяемость. Перечисленные недостатки затрудняют выбор наиболее подходящих материалов (флюсов, припоев, покрытий) и оптимальных режимов пайки, что ведет к снижению качества пайки.

Целью изобретения является увеличение числа параметров оценки паяемости путем обеспечения контроля работ адгезии и когезии и работы, затрачиваемой на облужинание.

Поставленная цель достигается тем, что механизм возвратно-поступательного перемещения снабжен датчиком перемещения ванны, а самопишущий прибор выполнен в виде двухкоорцинатного самопишущего потенциометра, один вхоц которого соединен с датчиком перемещения, а другой с ,цатчиком усилия.

На фиг.1 показана блок-схема устройства„ на фиг.2 вЂ” конструктивное выполнение основных механизмов; на фиг.3 - типичные диаграммы, получаемые при контроле паяемости на предложенном устройстве (а) и на известном типа Менискограф (б); на фиг,4 - примеры определения работ адгезии, когезии и облуживания. устройство состоит иэ ванны припоя с нагревательным столиком 1„ термостатирующего блока 2, механизма 3 вертикального возвратно-поступательного перемещения ванны, подвески с зажимом для закрепления образца 4, датчика 5 усилия, датчика б перемещения ванны, двухкоординатного самопишущего потенциометра 7, сменной ванны 8 с припоем (см. фиг.2) установленной на нагревательном столике

9 с воэможностью вертикального возвратно-поступательного перемещения по двум направлякщим: установочньм

10, с которыми столик связан ходовой парой 11 винт вЂ” гайка с отсчетньм нониусом, и по направляющим 12 рабочего хода ванны. Направляющие 12 смонтированы на корпусе 13 устройства. Направляющие 10 посредством шар нирной тяги 14 соединены с механизмом возвратно-поступательного перекрещения, который включает устройство для преобразования вращательного дви- жения в возвратно-поступательное

19 в виде кривошипно-шатунного механиз-. ма 15 (или не показанной на фиг. пары винт вЂ” гайка с концевыми переключателями направления вращения винта), редуктора 16 с электродвигателем 17 постоя нного тока, укрепленного на корпусе 13 устройства. Датчик б перемеще н ия в а нны устроен следующим образом.

Подвижные направляющие 10 посредcòâoì реечной зубчатой или фрикционной передачи 18,кинематически связаны с осью движка переменного резистора 19. Этот резистор включен в мостовую схему с аналогичным резистором 20. Мостовая схема питается

)$ от низковольтного стабилизированного источника постоянного тока, а полезный сигнал с диагонали моста поступает на один из входов двухкоординатного самопишущего потек циометра 7 типа ПДС-021. Образец 21 подвешивается над ванной 8 с помощью эапима 22 на свободном конце вспомогательной измерительной балки

23, являющейся частью датчика 5 усиЗ лия (см. фиг.1).

В ссррееддннеейй, части балки 23 неподвижно закреплен один конец тонкой стальной нити 24, другой конец которой у:. .реплен на конце измерительной штанги механотронного преобразователя (механотрона) 25. Сам -механотрон представляет собой электронную лампу типа бМХЗС с механически управляемыми анодами. Он смонтирован в корпусе 26, укрепленном на консольной

gg пластине 27, которая другим своим концом крепится к корпусу 13 устройства. Над корпусом 26 механотрона 25 также к основанию корпуса 13 крепится планка 28 с нажимным регулировоч-. ным винтом 29, взаимодействуна им с корпусом 26 механотрона. Точка крепления нити 24 к вспомогательной измерительной балке 23 делит последнюю на два плеча вЂ” 30 и 31. Плечо 30 жесткое, плечо 31 представляет собой плоскую пружйну с жесткостью меньшей, чем жесткость механотрона 25 (под жесткостью поним ется величина силы на единицу про"èáà в данной точке, в частности в месте крепления нити).

Я Пружинное плечо 31 нажимается консолью в разрезном вкладыае 32 с помощью винта 33. Можно изменять положение вкладыша при регулировке длины плеча 31 путем его перемещения влево или вправо во втулке 34, которая

791475 крепится к корпусу 13 устройства.

Плечо 30 измерительной балки снабжено регулируемыми упорами 35, ограничивающими перемещение конца балки

23 сверх допустимых пределов при воздействии случайных усилий.

Устройстно работает следующим образом.

Ванну 8 с испытываемым припоем устанавливают на нагренаемый столик

9. После расплавления припоя и выхо-. да ванны на заданный температурный режим, который устанавливается и поддерживается блоком 2, включают электродвигатель 17 привода пере" ещения ванны и переводят ее.в крайнее нижнее положение. В качестве образца 21 используют проволочные или ленточные (плаские) выводы транзисторов, диадан, микросхем и других электронных приборов, подлежащих испытанию паяемости. Можно использовать .и одиночные выводы указанных приборов н виде отрезков проволоки, пластин,. фольги и т.д. Образец 21 укрепляют н зажим 22 таким образом, чтобы аблуживаемые вьпзоды располагались над ванной вертикально, а их концы не касались;зеркала припоя. Для исключения такого касания ванну опускают вручную винтовой парой 11 по уста новочным направляющим 10. После установки и закрепления образца ванну вновь поднимают с помощью винтовой пары 11 почти да касания торцом образца зеркала припоя и отмечают на нониусе винтовой пары ll эта полажение как крайнюю верхнюю точку подъема ванны.:Затем включают электродвигатель 17 и переводят ванну н крайнее нижнее положение. Затем с помощью винтовой пары 11 с нониусом производят подъем ванны по направляющим 10 на величину, соответствующую заданной глубине погружения образца в припой. Если теперь вновь включить электродвигатель 17 привода рабочего хода ванны, то в своей крайней верхней тачке нанна окажется выше, чем в исходном положении на величину, установленную на каниусе,Очевидна,на ту же глубину образец будет погружен в припой. Глубина погружения выбираетс я н пределах О, 5-1, 5 мм. Перед погружением в припой образец флюсуют

В процессе vcEIhITBHHH паяемости абразца ванна поднимается из нижнего галажения в верхнюю точку и затем нHopь опускается с помощью привода перемещения ат электродвигателя 17.

При этом образец в конце хода ннерх постепенно вводится в грипай своим торцом на заданную глубину, а затем при опускании ванны извлекается из нее . Дан нае рабочее перемещение н анны передается с помощью реечной фрикциокнай передачи 18 на ось движка проволочного линейного резистора 19 мостовой схемы датчика б. Получаемый элек трический,сигнал на выходе мостовой схемы датчика прямопрапорцианален высоте расположения ванны или глубине (h) погружения образца.

Этот сигнал поступает на вход гори.зонтальной развертки двухкоардинатного самопишущего потенциометра. B результате за одно нозвратна-поступательное перемещение ванны перо самопишущего прибора сонершает по горизонтали также возвратно- поступательное перемещение. Если скорость о подъема и амплитуда перемещения ванны постоянны, то, очевидно, и перо перемещается с пос тоянной скоростью па экрану, и на горизонтальную шкалу развертки помимо глубины h пагруже$$ ния можно нанести линейную шкалу времени перемещения ванны.

Вес образца с зажимам в исходном состоянии, когда торец образца не касается зеркала припая, уравнове2О шинается прогибом пружинного плеча

31 измерительной балки 23. Этот прогиб передается с помощью стальной нити 24 на измерительную штангу механотрана 25. Отклонение штанги механотрона от горизонтального положения преобразуется н прямо пропорциональный величи не этого атклокения электрический сигнал в датчике 5 (см. фиг. 1), который далее поступает на вход вертикальной ° раэ3() нертки двухкоординатнага самопишущего потенциаметра 7. B качестве датчика 5 используют выпускаемый промышленностью блок гитания диодных меха нотранав . Далее ус тан анлинают нулевое полажение механотронного датчика. С этой целью вращают винт 29, упирающийся в корпус механатрона 26. При этом путем прогиба пластины 27 вызывают отклонение корпуса механотрана 25 и его измерительной штанги от гаризантальнага положения. Тем самым регулируют натяжение нити 24 н выводят штангу механатрона в нулевое положение (среднее положение) . Электрический сигнал при этом на выходе датчика 5 отсутствует.

Таким образом, при перемещении ванны вверх да тех пор, пока образец не коснется припоя, перо самописца чертит горизонтальную линию.

Начиная с момента касания торцом образца зеркала Зб грипая (см. фиг.З), на измерительную балку 23,начинает действовать результирующее усилие от пратиноположчо направленных выталк ивающей силы, пропорциональной весу припоя в объеме, вытесненным образцом, и втягивающей силы (при наличии смачивания) . Смачивание может наступить с некоторым запаздыванием, поэтому вначале иногда проявляется лишь ныталкивающая сила.

При этом образуется отрицательный мениск 37, а самописец фиксирует уменьшение результирующего усилия, действующего на образец 38. При наличии последующего смачивайия измеряют время восстановления результирующего усилия до нулевого, уровня 39.

Это время называется временем смачинания и является одним иэ параметров оценки паяемости. Чем меньше это время, тем инте нс ив нее происходит смачивание образца, и тем лучше паяемос ть . При наличии смач инания силы поверхностного натяжения приложены в точке 40 на границе контакта трех фаз. В соответствии с известным правилом условие равновесия можно выразить соотношением. т Ф т-ж Ъж-Ф о >9, Величина: $g g(т-ф у- -ф 8 ° носит название адгезионного натяжения. Произведение $g на периметр смачивания определяет величину втягивающей силы. Адгез ионное натяжение вызывает подъем припоя вблизи погруженной части образца вЂ” положительный мениск. Ilo существу нес припоя в объеме мениска уравновешивает адгезионную силу. Как следует из приведенного выше равенства, неличина с( тем больше, чем меньше краевой угол смачивания 9 . Величина и знак результнруюцей силы, действующей на балку 23, зависят не только от краевого угла смачинания, но и от отноше- . ния объема погруженной части образца к периметру смачивання. При малых величинах указанного отношения, что характерно для тонких пронолок, фольги, а также при достаточно интенсивном смачинании (например, позоло« ченных выводов), наблюдается стадия снижения результирующей силы. Иэ-за малости выталкивающей силы.ею пренебрегают, а реэультирукщую силу при" равнивают к втягивающей адгезионной силе. Максимальная величина втягивающей силы 41, поделенная на периметр смачивания, служит второй количественной характеристикой оценки паяемости, чем она больше, тем лучше паяемость.

При погружении образца краевой . угол смачинания уменьшается на начальной стадии 42 до Ьеличины краеsoro угла натекания 8 gq и затем остается ностоянньм до конца погружения. Величина втягивающей силы соответственно на начальном участке растет, а затем остается постоянной (рассматривается наиболее типичный случаИ, кривая может иметь и другой вид). Точка 43 соответствует максимальной глубине погружения. Площадь под кривой изменения втягивающей силы от глубины погружения h представляет собой работу адгеэионной силы при погруженИи, ипи работу адгезии припоя Wg в условиях погружения (см. фиг.4) . Чем больше величина работы адгезии, выделяемой при погружении, 791475 тем лучше паяемость. Теоретическая связь работы адгезии с паяемостью известна, однако ни одно иэ известных устройств для оценки паяемости не позволяет определить эту величину. В устройстве Менискограф иэменение результирующей силы, действующей на образец, регистрируется одноканальным самопишущим прибором в зависимости от нремени (см.фиг. 36), © Это устройство позволяет определять только два параметра оценки паяемости: время смачивания и величину втягивающей адгеэионной силы. Однако, при близких значениях величины

f$ втягивающей силы, но при различной интенсивности ее роста или при сложной форме кривой втягивающей силы сравнение. и выбор оптимальных условий пайки лучше проводить по величи © не работы адгезии. Это повышает точность оценки паяемости. Данные для оценки паяемости на предложенном устройстве получаются на стадии извлечения образца иэ припоя. Во-,ервых, .с началом извлечения обра= "..

25 краевой угол смачивания уменьшае . я, поскольку краевые углы оттекания всегда меньше краевых углов натекания. Это приводит к возрастанию адгеэионного натяжения gg-Q> созе„

Щ (O - краевой угол оттекания),. и поэтому обратная ветвь регистрнру.=-мой кривой 44 лежит выае, чем прямая.

Во-вторых, изменяется природа измеряемой адгезионной силы. Поскольку

Я образец облужен, то при его извлечении из припоя затрачивается дополнительное усилие на образование двух новьх поверхностей раздала припоя с окружающей средой (флюсом„ газом) .

Удельная работа, затрачиваемая на это, "..оставляет 2 Ъ кф и йредставляет . собой работу когеэии (сцепления частиц припоя) в условиях пайки погружением И„ . Эта работа определяется площадью Нх под ветвью обратного xog$ да. (см. фиг.4). Работа когезии Wy отражает (при наличии облуживания) величину поверхностного натяжения припоя, в частности, степень влияния на нее флюса. Чем интенсивнее флюс сниgp жает натяжения припоя, тем меньше

WII. Эта характеристика также не измеряется известными устройствами.

Разность между работами когезии и адгеэии Н - Wg представляет собой работу, затраченную на облуживание У, ц„ (см. фиг.4) . Работа облуживания

W „ íåïîcðåäñòsåHíî характеризует паяемость: чем,меньше.эта работа, т.е. больше выделяемая работа адгезии W ,и меньше затрачиваемая работа когеФQ эии Ик, тем лучше паяемость. Полученная диаграмма - петля гистерезиса смачивания. Она образуется из-sa разницы краевых углов натекания и оттекания. Эту разницу voRHQ количественд 1 о охарактеризовать соответствукицей

791475 разницей втягивающей силы на прямой и обратной ветви (участок 45 на фиг.4) . Чем меньше эта разница, тем меньше краевой угол смачивания при погружении и меньше он отличается от краевого угла при извлечении образца. В:идеальном случае при 8 (f эта разница становится равной нулю, и ветви прямого и обратного хода на рассматриваемом горизонтальном участке 45 совпадают между собой.

Такюе образом, устройство позволя- !© ет вести контроль паяемости по пяти параметрам: времени смачивания, втягивающей адгезионной силе, работам адгезии и когезии и облуживания.

Каждый иэ перечисляемых параметров f$ уточняет оценку паяемости и дополняетт один другой. Применение ус тройс тва обеспечивает возможность более обоснованно выбирать материалы для пайки, точнее устанавливать оптимальные режимы и допустимые пределы их отклонения, Формула изобретения

Устройство для контроля паяемости при низкотемпературной ° пайке, содержащее ванну припоя с механизмом вертикального возвратно-поступательного перемещения, подвеску с зажимом для крепления образца и датчик усилия, электрически соединен..ый с самопишущим прибором, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью увеличения числа параметров оценки паяемости. путем обеспечения контроля работ адгезии и когезии и работы облуживания, механизм возвратно-поступательного перемещения снабжен датчиком перемещения ванны, а самопишущий прибор выполнен в виде двухкоординатного самопишущего потенциометра, один вход которого соединен с датчиком перемещения, а другой с датчиком усилия.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. С. У. Thwaites and В.F. Mutter, Meta6Lurgischa aspekte des weich6otens. "Meta@ ", v. 25, 9 6, 1971, с. 626.

2. H.Schafer "Feingeratetechnik"„

23, 9 33,, 11997744, с. 115 вЂ” 118.

3. D. Nockay, The 1enixograph: а method of soCderabiEitg measurement. "Circuits manufacturing", v. 13-7, 1973, р. 52-56 (прототип).

791475

Е ымя нм 63

BHHHGH Заказ 9161/48

Тираж 1160 Подлисное

Филиал ППП. Патент, г.Ужгород, ул. Проектная, 4