Клеммы и разъемы Weidmuller, совместимые с технологией пайки оплавлением припоя

В современной электронике прослеживается явная тенденция к переходу от выводных компонентов к SMD-компонентам — уменьшение размера и веса конечных изделий давно является обязательным требованием рынка.

Выводные компоненты используются при необходимости дополнительного механического крепления элемента к плате при большом собственном весе (в частности, трансформаторы) или возможных механических нагрузках (например, разъемы).

Существуют три основных типа автоматического монтажа печатных плат:

• пайка в конвекционной печи;
• парофазная пайка;
• пайка волной припоя.

В настоящее время традиционный процесс монтажа печатных плат состоит из следующих этапов:

• установка компонентов (рис. 1);
• пайка оплавлением припойной пасты;
• нанесение клея и установка выводных компонентов;
• пайка волной припоя.

Рис. 1. Установка выводных компонентов

Как правило, в большинстве случаев при разработке устройств удается избежать применения выводных компонентов, за исключением клемм и разъемов. В связи с этим вынужденно удлиняется технологическая цепочка монтажа печатных плат.

Компания Weidmuller разработала и производит целый ряд клемм и разъемов для печатных плат, совместимых с технологиями пайки оплавлением припоя — пайки в конвекционной печи и парофазной пайки, что позволяет применять выводные компоненты непосредственно в процессе поверхностного монтажа SMT.

Появление таких компонентов стало возможным благодаря использованию компанией Weidmuller специального материала изолятора, а также ряда технических и конструктивных решений.

Преимущества использования

Преимущества использования клемм и разъемов компании Weidmuller, совместимых с технологией пайки оплавлением припоя:

• исключаются дополнительные операции, связанные с выводными компонентами: нанесение клея, установка выводных элементов, сушка, пайка волной припоя — сокращение времени монтажа;
• упаковка соответствует технологическому процессу — сокращение времени монтажа;
• не требуется предварительная сушка — сокращение времени монтажа;
• исключается ручная пайка — стабильность результатов технологического процесса;
• дозированное нанесение паяльной пасты — экономное расходование материалов;
• фланцы, запаиваемые в одном технологическом цикле с контактами разъема — сокращение времени на сборку.

Кроме того, они соответствуют требованиям директивы RoHS, не содержат галогенов и пригодны для вторичной переработки.

Особенности клемм и разъемов, совместимых с технологией пайки оплавлением припоя

Материал

Именно благодаря применению специального материала стало возможным использование клемм и разъемов в технологическом процессе пайки оплавлением припоя.

LCP GF — жидкокристаллический полимер, усиленный стекловолокном (liquid crystal polymer + glass fiber). Его основные особенности: высокое удельное объемное сопротивление, электрическая прочность и верхний предел допустимой температуры, а также стабильность размеров при изменении температуры.

Термостойкий, не содержащий галогенов изоляционный материал LCP (жидкокристаллический полимер) имеет точку плавления +335 °C и, соответственно, хорошо выдерживает температуру пайки. Согласно европейской директиве RoHS, существует ограничение на содержание опасных для здоровья человека веществ (в частности, свинца) в электронном оборудовании.
Но, как известно, температура пайки бессвинцовыми припоями выше, чем для припоев, содержащих свинец. Соединители SL-SMT из материала LCP готовы к работе с припоями, не содержащими свинец.

Клеммы и разъемы, в которых в качестве изолирующего материала предусмотрен жидкокристаллический полимер LCP, усиленный стекловолокном, отличаются высокой стабильностью форм и размеров (в том числе при высоких температурах) и низким ТКЛР. Как следствие, достигается высокая точность шага даже при большом числе выводов и облегчается процесс установки компонентов на печатную плату. Благодаря тому, что ТКЛР материала LCP GF близок к этому параметру основного материала печатных плат — FR4, предотвращается изгиб платы после пайки.

Компоненты из материала LCP GF имеют класс уровня чувствительности к влажности MSL 1: безопасное время хранения компонентов при температуре +30 °C и относительной влажности 85% не ограничено. Это означает, что подобные компоненты можно немедленно использовать в процессе пайки оплавлением по технологии THR без дополнительной стадии сушки, не опасаясь появления вздутий или трещин (микротрещины особенно трудно поддаются обнаружению).

Основные характеристики материала LCP GF приведены в таблице 1.

Конструктивные особенности

Запаиваемый фланец

Как правило, для дополнительной механической фиксации разъема к печатной плате используется винтовое крепление. Дополнительные выводы под пайку (рис. 2, сноска 1) заменяют винтовое крепление и распаиваются в одном технологическом цикле с контактами разъема. Таким образом удается сократить время сборки и снизить затраты.

Рис. 2. Конструктивные особенности:
1 — запаиваемый фланец;
2 — обеспечение доступа теплоносителя к точке пайки;
3 — свободное пространство для образования мениска;
4 — оптимальная форма запаиваемых контактов

Обеспечение проникновения носителя тепла с двух сторон к точке пайки

Для технологии пайки оплавлением припоя важен всесторонний и равномерный нагрев паяльной пасты. С этой целью конструкцией разъемов THR предусмотрен доступ теплоносителя к точке пайки со стороны корпуса разъема (рис. 2, сноска 2).

Свободное пространство для образования мениска

В отличие от пайки волной, при пайке оплавлением припоя мениск образуется со стороны установки элемента. Поэтому в конструкции разъема должно быть предусмотрено свободное пространство для образования качественного мениска (рис. 2, сноска 3).

Длина и форма запаиваемых контактов

Доступно две длины запаиваемых контактов — 1,5 и 3,2 мм (3,5 мм для клемм). Контакты длиной 1,5 мм имеют следующие преимущества:

• Уменьшение хода автомата при установке на плату — увеличение скорости монтажа.
• Возможность двусторонней установки выводных компонентов.
• Меньшие габариты — большее количество компонентов в упаковке.

В сечении запаиваемый контакт представляет собой четырехугольник с фасками, его торец также имеет фаски (рис. 2, сноска 4). Это дает следующие преимущества:

• Уменьшение диаметра отверстия в печатной плате и, как следствие, экономное использование паяльной пасты.
• Меньше усилие, необходимое для вставки выводов компонентов в отверстия, заполненные паяльной пастой.
• Повышение прочности пайки.
• Лучшая распознаваемость в системах слежения (при автоматической оптической инспекции) благодаря большей отражающей поверхности.

Упаковка

Компания Weidmuller поставляет компоненты в упаковке, учитывающей особенности автоматизированных технологических процессов: в ленте на катушке или в тубе (пенале) для соответствующих питателей, а также в лотке (поддоне) для крупных компонентов (рис. 3). Лента на катушке имеет стандартные значения ширины: 32, 44, 56, 72 и 88 мм. Компоненты размещены в лентах соответствующей ширины — это позволяет оптимально использовать питатели и точно позиционировать компоненты на ленте для их уверенного захвата.

Рис. 3. Упаковка, соответствующая технологическому процессу

Особенности соединителей Weidmuller

Несколько слов об особенностях, присущих большинству соединителей компании Weidmuller.

Кодировка

Для всех разъемов Weidmuller предусмотрена установка кодирующих элементов. Может быть выполнено как предварительное кодирование на заводе (по согласованию с заказчиком), так и непосредственное — при использовании разъемов (рис. 4).

Рис. 4. Установленные кодировочные элементы

Маркировка

На всех разъемах и клеммах компании Weidmuller есть место для нанесения или установки маркировки — это может быть сделано заказчиком самостоятельно или, по предварительному заказу, на производстве (рис. 5).

Рис. 5. Маркировка по требованию

Фланцы

Как правило, для разъемов предлагается несколько вариантов фланцев на выбор — винтовое крепление частей разъема между собой (рис. 6а), «ласточкин хвост» для установки монтажных блоков, фиксатор или фиксатор-экстрактор (рис. 6б). Также разъемы могут поставляться с открытыми или закрытыми боковыми частями.

Рис. 6. Фланец:
а) винтовой;
б) фиксатор-экстрактор

Световоды

Для некоторых серий разъемов в качестве аксессуара предлагаются световоды — они обеспечивают передачу света от SMD-светодиодов, размещенных на печатной плате, до лицевой панели. Благодаря этому для пользователя легко и технологично решается задача вывода световой индикации (рис. 7).

Рис. 7:
а) установленные световоды;
б) конструкция световодов

Разделительные элементы

Разделительные элементы (рис. 8) позволяют гибко решать задачу введения исполнений или изменений в процессе модернизации в изделие — имея один общий разъем на печатной плате, можно путем установки разделителей получить необходимые варианты.

Рис. 8. Разделительный элемент

Серия SL-SMarT

Среди множества серий клемм и разъемов для печатных плат, пригодных для пайки оплавлением припоя, можно выделить серию SL-SMarT 5.0x (рис. 9). Ее характерная особенность в том, что в ней имеется только два разъема — на 2 и на 3 контакта в горизонтальном и вертикальном исполнении. Эти разъемы можно располагать в ряд без зазора и получить в итоге разъем с любым желаемым количеством контактов — меньше номенклатура, проще логистика.

Рис. 9. Серия разъемов SL-SMarT 5.0x

Основные преимущества серии SL-SMarT 5.0x:

• минимальный вес;
• компактные размеры;
• максимальная скорость сборки;
• требуется меньше пространства для фидеров (их ширина минимальна);
• упрощение логистики.

Благодаря малому весу и компактным размерам разъемов серии SL-SMarT 5.0x автоматы сборки печатных плат способны работать с наименьшими затратами и на максимальной скорости, что нереально при использовании тяжелых компонентов. Комбинируя 2‑ и 3‑контактные разъемы, можно получить 23 стандартных разъема (от 2 до 24 контактов). Кроме того, не имеет значения, с каким шагом (5 или 5,08 мм) размещены отверстия на печатной плате — небольшое отклонение по шагу компенсируется разнесением от следующего модуля. С учетом этого количество заменяемых стандартных разъемов увеличивается до 46. И последнее: наличие двух направлений вставки — 90° и 180° — означает увеличение числа возможных вариантов до 92!

Компоненты SMD-THR и технологии SMT-THT

Существуют два типа компонентов, совместимых с технологией оплавления припоя: SMD (компоненты для монтажа на поверхность) и THR (комбинация сквозного монтажа компонентов и технологии пайки оплавлением припоя). Если для компонентов на печатной плате предусматриваются механические нагрузки (как, например, к клеммам или разъемам), то THR-компоненты и технология THT (технология монтажа через сквозное отверстие) являются предпочтительными по сравнению с SMD-компонентами и технологией SMT (технология монтажа на поверхность), поскольку имеют более надежное соединение с печатной платой.

Технологические особенности и рекомендации

Технологии автоматического монтажа печатных плат

Рассмотрим основные плюсы и минусы технологий автоматического монтажа печатных плат:

Конвекционная пайка:

• плюсы:
• • высокая производительность;
• минусы:
  • возможен градиент температуры в зоне нагрева;
  • большие габариты и высокое потребление электроэнергии.

Парофазная пайка:

• плюсы:
  • отсутствие температурного градиента в зоне нагрева;
  • малые габариты и электропотребление;
• минусы:
  • низкая производительность;
  • наличие дополнительного расходного материала — теплоносителя.

Пайка волной припоя:

• плюсы:
  • высокая производительность;
  • возможность селективной пайки;
  • ниже требования к температурной стойкости компонентов, так как компоненты на печатной плате нагреваются в меньшей степени, чем при технологиях пайки оплавлением припоя;
• минусы:
  • при разработке топологии печатной платы необходимо учитывать направление движения платы относительно волны припоя.

Несмотря на все преимущества технологии пайки оплавлением припоя, выводные компоненты в настоящее время используются, как правило, только в случае большого собственного веса или подверженности механическим нагрузкам. Соответственно, все преимущества данной технологии теряют свою актуальность.

В целом технологический процесс пайки компонентов THR представлен на рис. 10.

Рис. 10. Технология пайки компонентов THR:
а) сквозное металлизированное отверстие;
б) нанесение паяльной пасты;
в) установка компонента;
г) оплавление припоя (требуется доступ теплоносителя к точке пайки с двух сторон);
д) паяное соединение

Рекомендации по проектированию и технологическому процессу

При нанесении паяльной пасты с помощью принтера ее объем и, следовательно, степень наполнения припойной пасты являются важными факторами для получения оптимального результата в процессе SMT.

Наполнение и объем паяного соединения должны соответствовать требованиям IPC-A610 «Критерии приемки электронных сборок».

Приведем в качестве примера рекомендации по проектированию и технологическому процессу автоматической установки и пайки для разъемов серии SL-SMT с запаиваемыми фланцами и длиной запаиваемых контактов 1,5 мм (табл. 2).

Примечания.
* Необходимо учитывать допуски и точность компонентов, печатных плат и установок для автоматического монтажа.
** Диаметр отверстия трафарета приблизительно на 10% меньше диаметра контактной площадки d_A.

Параметры разъема и печатной платы представлены на рис. 11.

Рис. 11. Параметры разъема и печатной платы:
а) параметры разъема;
б) поперечное сечение запаиваемого контакта;
в) параметры печатной платы;
г) параметры трафарета;
д) оптимальная форма паяного соединения

Для разъемов без запаиваемых фланцев с числом контактов от 2 до 8 необходимо уменьшить и принять следующие параметры:

• диаметр монтажного отверстия d_I= 1,4+0,1 мм;
• минимальный объем паяльной пасты V_P= 2,4 мм³;
• минимальный уровень наполнения f_P= 70%;
• оптимальный объем паяльной пасты V_P= 2,9 мм³;
• оптимальный уровень наполнения f_P= 90%.

Контроль качества

Завершающий этап технологического процесса пайки — контроль качества. Контроль качества для пайки выводных компонентов методом оплавления припоя аналогичен контролю качества пайки волной припоя. В настоящее время для этого существует несколько способов: оптическая инспекция, рентгеноскопия или разрушающий контроль. При оптической проверке могут быть оценены форма паяного соединения, цвет и коэффициент отражения поверхности. Рентгеноскопия позволяет выявить пустоты и трещины, а разрушающий контроль — оценить сопротивление вытягиванию вывода из печатной платы. Разумеется, разрушающий контроль проводится только выборочно.

Основные термины и определения

• PCB (printed circuit board) — печатная плата.
• SMD (surface mounted device) — компоненты для монтажа на поверхность.
• SMT (surface mount technology) — технология монтажа на поверхность.
• THR (through hole reflow) — комбинация сквозного монтажа компонентов и технологии пайки оплавлением припоя.
• THT (through hole technology) — технология монтажа через сквозное отверстие.
• ТКЛР — температурный коэффициент линейного расширения.