Автоматизированная система контроля и управления параметрами технологической среды при пайке
Основной технологической средой при пайке волнами припоя является ванна с расплавленным припоем. Система управления модулем пайки включает: пускатели, вариаторы скорости конвейера и подачи волн припоя, регуляторы температуры, датчики уровня припоя и т.д. – в зависимости от модели линии пайки. Целесообразно рассмотреть средства автоматизированного контроля и управления такими параметрами процесса пайки, как температура припоя в ванне, масса припоя и его состав, поскольку во время пайки происходит убыль припоя вследствие его ухода с коммутационной платой, а также в виде паров и продуктов окисления компонентов припоя, что способствует изменению параметров припоя при пайке и приводит к снижению качества паянных соединений. Для разработки и организации стабильного и воспроизводимого процесса пайки необходимо поддерживать температуру, состав и массу припоя постоянными в течение всего времени работы линии пайки. Это достигается применением автоматизированной системы управления технологическим процессом (АСУТП), объединяющей в своем составе совокупность вычислительных и управляющих устройств, устройств передачи данных приборов, датчиков и исполнительных устройств, а также программное обеспечение. В комплекс технических средств АСУТП входят: устройства получения информации о режиме технологического процесса от датчиков сигналов физических величин; устройства ввода и формирования сигналов; устройства локальной автоматики (усилители-преобразователи командных сигналов, исполнительные устройства и др.); ЭВС (устройства переработки информации и др.); устройства связи с объектом и персоналом, различные индикаторы, регистраторы и т.д.
Приборы и преобразователи для измерения температуры. В АСУТП измерение температуры может осуществляться контактными либо бесконтактными методами. Контактные методы реализуются в термометрах расширения (жидкостных и твёрдотельных), манометрических, термоэлектрических, электрического сопротивления; а бесконтактные – в пирометрах яркостных, радиационных и фотоэлектрических. Бесконтактные методы обычно применяют для измерения температур выше 400°С.
Измерение и регулирование уровня контролируемых сред (как показателя, например, ухода припоя) осуществляется с помощью уровнемеров поплавковых, буйковых, емкостных, радиоизотопных, ультразвуковых, высокочастотных, электромагнитных, индуктивных, комплексно-кондуктометрических и др.
Для определения состава компонентов припоя в жидком или твердом состоянии используют различные анализаторы. В анализаторах состава и содержания компонентов материалов реализуются электрохимические, потенциометрические, масс-спектрометрические и другие методы.
Электрические датчики и регуляторы температуры, давления, уровня и т. д., выполняющие функции автоматического контроля, регулирования, управления и сигнализации в технологических процессах, также применяют в составе АСУТП.
Все шире для автоматизированного производства используются в составе АСУТП агрегатные комплексы технических средств локальных систем автоматического контроля и регулирования технологических параметров.
Агрегатные комплексы технических средств представляют собой совокупность устройств (блоков), связанных между собой по функциональному назначению, конструктивному исполнению (как правило, блочно–модульному), электрофизическим параметрам и другим техническим данным. Например, агрегатный комплекс средств электроизмерительной техники (АСЭТ) осуществляет автоматизированный сбор, преобразование, измерение и представление информации АСУТП производства. Комплекс средств аналитической техники (АСАТ) позволяет выполнять измерения химических и физических параметров и состава веществ в системах автоматизированного контроля и управления технологическими процессами. Существуют агрегатные комплексы средств измерения и дозирования масс веществ, комплексы исполнительных механизмов и др.
Таким образом, АСУТП пайки при наличии требуемого программного обеспечения поддерживает постоянными температуру, состав и массу припоя в ванне во время работы линии пайки, осуществляя при этом преобразование, анализ, а также идентификацию информации, получаемой от первичных контрольных приборов, например датчиков, и в случае необходимости подает команду исполнительному устройству для корректировки состава и свойств технологической среды.
Расчетный метод определения времени между корректировками
состава припоя в ванне и массы корректирующих компонентов
На этапе проектирования технологического процесса автоматизированной пайки двойной волной припоя (ДВП), широко применяемой для производства ЭВС, операции по корректированию массы и состава припоя (основной технологической среды для пайки) в ванне разрабатываются на основании предварительных расчетов.
Количество (массу) припоя требуется восстанавливать в связи с убылью припоя из ванны в процессе пайки.
Убыль припоя из ванны вместе с уходом коммутационной платы (после образования паянных соединений) зависит в основном от площади контактных соединений (выводы навесных компонентов – контактные площадки) на плате, толщины наносимого в местах контактирования слоя припоя, числа контактных площадок на плате, а также производительности установки для пайки. Чем больше масса припоя в ванне, тем меньше тепловое возмущение ("тепловые удары") в системе плата – ванна с припоем при соприкосновении платы с волной (волнами) припоя, тем стабильнее технологический процесс и выше качество пайки. Экспериментальным путем установлено, что теплообмен в системе плата-волна (волны) припоя практически не влияет на характеристики волны (волн) припоя и стабильность режима пайки, если масса припоя в ванне не менее чем в 20 раз (а для пайки двойной волной в 30 раз) превышает массу платы или плат, одновременно входящих в контакт с волной (волнами) припоя. Обычно при обосновании выбранного количества припоя в ванне учитывают не только процессы теплопередачи, но и возможность забора припоя соплом без нарушения стабильности характеристик волн (скорости истечения, давления, формы и т. д.), а также возможность прецизионного управления волной (волнами), оптимальный расход припоя и энергопотребление. В предварительных расчетах принимают некоторые допущения, например, ширина полосы соприкосновения волны (волн) с платой (на ее (или их) гребне) соответствует длине платы (т. е. контакт волна-плата осуществляется одновременно для всех контактных точек на одной стороне платы).
Если масса платы
| (1) |
где Vп – объем основания платы (Vп=a× b× c; здесь a, b и c – соответственно длина, ширина и толщина платы); 
– плотность материала основания платы; mk – удельная масса коммутации (норма коммутации на единицу объема платы) для одной платы; то минимальная масса припоя в ванне при пайке ДВП определится как
| (2) |
С учетом допустимого отклонения массы припоя в процессе пайки (см. табл. 3.1) наибольшая допустимая убыль массы припоя в ванне составит
| (3) |
Убыль массы припоя в ванне включает убыль массы припоя из–за переноса его на контактные площадки платы (m1) и убыль массы припоя в виде паров и продуктов окисления (m2) ,т.е.
.
Целесообразность технологического процесса автоматизированной пайки ДВП основана на малом долевом расходе припоя через испарение и окисление. Практически установлено, что
| (4) |
причем в зависимости от конкретных условий ведения процесса (отношения открытой поверхности расплава припоя к его объему, интенсивности перемешивания, отвода шлаков, загрязненности маслами и т.д.) коэффициент принимает различные значения, в среднем =0,026.
Убыль массы припоя m1 ,из–за переноса его на контактные площадки платы, происходит без изменения состава расплава припоя в ванне и определяется для припоя ПOC-61 как
| (5) |
где А1 – площадь платы (А1=ab); n – число контактных площадок на единицу поверхности платы; mkп – масса припоя на контактной площадке (mkп = (A2h) 
, здесь h – толщина припоя, обычно h »10 мкм; – плотность припоя, см. табл. 4.1; A2=а'· b', где а', b' – размеры контактной площадки); 0,39m1 – убыль массы свинца (mPb); 0,61m1 - убыль массы олова (mSn).
Убыль припоя в виде паров и продуктов окисления связана с изменением состава расплава припоя в ванне и может быть оценена из анализа термодинамики процессов испарения и взаимодействия свинца и олова с кислородом. Такой анализ показывает, что давление насыщенных паров свинца над его расплавом составляет 1,77 мм рт. ст. и олова над его расплавом – 0,0456 мм рт. ст. (при температуре расплавления припоя в ванне). Этому соответствует тот факт, что свинец испаряется существенно быстрее, чем олово. Однако различие скоростей испарения должно быть несколько уменьшено, так как в расплаве свинца содержится примерно в 2 раза меньше, чем олова. Из-за отсутствия сведений об экспериментальных определениях скоростей испарения, следует ограничиться их качественной оценкой. Аналогичные обстоятельства вынуждают ограничиться качественной оценкой скоростей окисления свинца и олова в их расплаве, активно протекающих в связи с непрерывным перемешиванием расплава припоя на границе с воздушной атмосферой (при наличии защитной жидкости эти процессы имеют место в потоке волны).
Анализ термодинамики взаимодействия свинца и олова с кислородом показывает, что химическое сродство (изменение свободной энергии) к кислороду у олова больше, чем у свинца, вследствие чего можно предполагать восстановление окисленного свинца, т. е. при контакте расплава припоя с воздушной атмосферой должны протекать химические реакции
2Pb+O2=2PbO
В результате расплав припоя со временем обедняется оловом, и эвтектический состав смещается влево на диаграмме (см. рис. 3.1), изменяя температуру начала кристаллизации и свойства припоя. Таким образом, оба явления: испарение и окисление, приводящие к изменению состава расплава припоя, в общем, приводят к преимущественному уносу олова из расплава в сравнении с уносом свинца. Качественные опытные оценки свидетельствуют о том, что олова убывает из расплава в 4 раза больше, чем свинца. Следовательно, убыль массы припоя m2 в виде парови продуктов окисленияможно представить как
| (6) |
где 
– доли уноса свинца и олова из расплава соответственно, причем
откуда 
= 0,20 и 
= 0,80, что позволяет записать
| (7) |
где 
= 0,20m2 и 
=0.80m2.
Таким образом, для поддержания постоянства состава и свойств технологической среды при автоматизированной пайке ДВП необходимо вводить в припойную ванну массу свинца
| (8) |
и массу олова
| (9) |
Временные интервалы между корректировками расплава припоя в ванне определяются как
| (10) |
где N – производительность процесса пайки (количество ячеек, обрабатываемых в час).
Время, затрачиваемое на пайку одной ячейки:
| (11) |
где b/d – количество касаний волной платы до полного прохода волной вдоль всей платы ячейки (значения d и t см. в табл. 3.1), значение t подставлять в формулу (11) в секундах, тогда
| (12) |
После предварительных расчетов полученное значение производительности установки пайки согласовывают с приемлемой для выполнения данного процесса скоростью движения конвейера (см. табл. 3.1), учитывая возможность перемешивания припоя в ванне после корректировки его состава, т. е. реальное значение производительности будет несколько меньшим (приблизительно на 20 – 30 %).
Если в соответствии с формулой (10) временной интервал между корректировками расплава припоя в ванне будет меньше, чем 0,5 ч, то увеличивают массу припоя M в ванне и пересчитывают уход припоя и время между корректировками припойной ванны.
В предварительных расчетах не учитывается возможность добавки в ванну с припоем материала коммутации платы, например меди (в количестве не более 2 %), для сведения к минимуму эффекта растворения металла с платы в припое, что важно для сохранения однородности состава паянного соединения (так как после пайки медь образует дендридные кристаллы, препятствуя ликвации (неоднородности) компонентов припоя).
Исходные данные и варианты задания
В табл. 3.2 приведены исходные данные для трех разновидностей материалов основания коммутационных плат (керамики, полиимида, стеклотекстолита, их плотность составляет 3,9; 1,42 и 1,8 г/см3 соответственно) и различной плотности монтажа. Допускается смешанно - разнесенный монтаж навесных компонентов (т. е. устанавливаемых в отверстия с одной стороны и на поверхность (для простейших поверхностно-монтируемых компонентов) с другой стороны одной и той же платы).
Задание к практическому занятию № 3
1. Определить корректирующую массу припоя с учетом ее состава для заданного изделия с использованием соотношений (1) – (9).
2. Определить временной интервал между корректировками припойной ванны, пользуясь формулами (10) – (12), и заполнить форму табл. 3.3.
3. Разработать алгоритм реализации автоматизированного контроля и управления для технологической среды при пайке двойной волной припоя. Контролируемые параметры: температура расплава припоя в ванне, его масса и состав.
4. Составить перечень средств для реализации автоматизированного контроля и управления параметрами технологической среды с указанием их функционального назначения.
5. Написать выводы по результатам работы с указанием качества и перспективности выполненной разработки.
Порядок выполнения задания
1. Изучить теоретические сведения и методику расчёта в рамках задания.
2. Определить массу коммутационной платы M1 и минимальную массу припоя М в ванне, пользуясь соотношениями (1) и (2).
3. Определить наибольшую допустимую убыль массы припоя в ванне 
из соотношения (3), используя данные табл. 3.1.
4. Определить убыль массы припоя m1 из–за переноса его на контактные площадки платы из соотношения (5).
5. Определить убыль массы припоя m2 из-за испарения и окисления по формуле (4) и сведениям табл. 3.1.
6. Определить массу корректирующих компонентов припоя из соотношений (8) и (9).
7. Определить временной интервал между корректировками расплава припоя в ванне, пользуясь соотношениями (10), (11) и (12), а также данными табл. 3.1. Оформить табл. 3.3 (см. форму табл. 3.3).
8. При 
< 0,5 ч следует увеличить массу припоя в ванне и выполнить расчет повторно.
9. Изучить теоретические сведения в объеме выполняемого задания (по автоматизации контроля и управления параметрами технологической среды при пайке).
10. Изучив теоретический материал, ответить на вопросы тестирования, представленные в электронном модуле (приложение №1 на CD).
11. Успешно ответив на вопросы тестирования проверить правильность проведенных расчётов согласно своему варианту, используя электронный модуль.
12. Используя электронный модуль ответить на вопросы, предлагаемые в качестве защиты работы. Полученную итоговую оценку показать преподавателю.
13. Выбрать разновидности первичных преобразователей (датчиков) для указанных в задании параметров, отметив принципы, положенные в основу функционирования датчиков.
14. Выбрать необходимые средства реализации АСУТП, включая исполнительные механизмы, и указать их функциональное назначение.
15. Изобразить схематически, с учетом информационных, управляющих и вспомогательных функций, принцип реализации (т. е. упрощенный алгоритм) АСУТП с использованием заданных параметров технологической среды.
16. В выводах отразить полученный результат и личное мнение исполнителя задания о возможности усовершенствования расчетной методики, а также слабые стороны и перспективность реализации выбранного принципа функционирования АСУТП, а кроме того, возможные пути его совершенствования.
Пример выполнения задания
Решение 1-го варианта задания практического занятия 3 (см. вариант 1 табл. 3.2 описания практического занятия № 3) может быть проведено в последовательности, которую покажем на примере.
1) Определяем массу коммутационной платы, пользуясь формулой (1) и данными табл. 3.1:
= 
=(64,80,06)(3,903,0)=11,92г.
Таблица 3.2
Исходные данные и варианты задания
| Вариант | Размеры диэлектрического основания коммутационной платы a х b х c, мм х мм х мм | Плотность материала основания платы п, г/см3 | Удельная масса коммутации для одной платы mk, г/см3 | Число контактных площадок на единицу поверхности платы n, см-2 | Размер монтажной площадки, aх b, мм х мм |
| 60 x 48 x 0,60 | 3,90 | 3,0 | 1,5 x 1,5 | ||
| 78 x 95 x 0,64 | 1,42 | 3,0 | 1,0 x 1,0 | ||
| 78 x 95 x 0,52 | 1,42 | 3,0 | 0,8 x 0,8 | ||
| 100 x 95 x 0,60 | 1,80 | 2,5 | 2,8 x 2,8 | ||
| 140 x 150 x 0,80 | 1,80 | 2,5 | 3,3 x 3,3 | ||
| 78 x 95 x 0,68 | 3,90 | 2,8 | 2,0 x 2,0 | ||
| 150 x 95 x 0,32 | 1,42 | 3,0 | 1,7 x 1,7 | ||
| 150 x 95 x 0,60 | 1,80 | 2,5 | 3,5 x 3,5 | ||
| 150 x 200 x 1,00 | 1,80 | 2,8 | 3,2 x 3,2 | ||
| 100 x 120 x 0,80 | 1,80 | 2,5 | 2,9 x 2,9 | ||
| 150 x 250 x 1,00 | 1,80 | 2,5 | 3,7 x 3,7 | ||
| 100 x 95 x 0,50 | 1,42 | 3,0 | 1,5 x 1,5 | ||
| 160 x 220 x 1,00 | 1,80 | 2,5 | 3,7 x 3,7 | ||
| 160 x 280 x 1,00 | 1,80 | 2,5 | 3,6 x 3,6 | ||
| 200 x 250 x 1,00 | 1,80 | 2,5 | 3,8 x 3,8 |
Форма табл. 3.3
Результаты выполнения задания для варианта …
| Параметры | , г
|  , г
| 
|  , г
|  , г
|  , г
|  , г
|  , ч
| N, ч-1 | , ч
|
Примечание. В ходе расчетов использовалось среднее значение длительности пайки (t = 6 с) и ширины полосы соприкосновения волны с платой ячейки (d = 25 мм).
2) Найдем минимальную массу припоя в ванне по формуле (2):
M =30 
=3011,9232=357,70 г.
3) Определяем наибольшую допустимую убыль массы припоя в ванне, используя данные табл. 3.1:
=0,05357,696=17,885 г.
4) Находим убыль припоя из-за переноса его на контактные площадки плат по формуле (5) и данным табл. 3.1:
=(6,04,8)10(0,150,150,001)8,5=0,055 г.
5) Определяем убыль припоя из-за испарения и окисления по формуле (4):
= 
=0,0014 г.
6) Находим массу корректирующих компонентов припоя по формулам (8) и (9):
МPb=0,39m1+0,20m2==0,390,0508+0,200,001412=0,022 г;
МSn=0,61m1+0,80m2=0,610,05508+0,800,001412=0,035 г.
7) Определяем время, затрачиваемое на пайку одной ячейки электронного устройства (ЭУ) по формуле (11):
= 
=0,0032 ч;
при этом производительность технологического оборудования, определяемая по формуле (12) составит:
= 
=312,3 ч-1.
8) Находим временной интервал между корректировками расплава припоя в ванне по формуле (10):
= 
=1,014 ч.
Результаты выполнения задания для варианта 1 представляем в виде табл. 3.3 (по форме табл. 3.3).
Ответ к заданию по п. п. 3 и 4 (см. описание практического занятия № 3) может быть представлен в виде одной из схем (из трех вариантов примеров схем АСУ) (рис. 3.6…3.8), либо аналогичной по смыслу схемы, но представляемую в альтернативном изображении, причем обязательными узлами автоматизированного контроля и управления технологической средой должны быть:
Дсост. – датчик состава;
Дм – датчик массы;
Дт – датчик температуры;
АЦП – аналого-цифровой преобразователь;
ЦАП – цифро-аналоговый преобразователь;
(вместо АЦП и ЦАП можно использовать УСО – устройство совместной обработки цифровых и аналоговых сигналов)
ИУ – исполнительное устройство;
УОИ – устройство отображения информации;
ЭВМ – электронная вычислительная машина.
На схемах рис. 3.6…3.8 эти обозначения введены.
Таким образом, выбираемые средства АСУ, как и схема ее реализации (например, схемы (или алгоритмы) рис. 3.6…3.8), могут быть разной сложности.
Выводы.
1. Если 
0,5 ч, а в данном случае 
=1,014 ч, следовательно массу припоя в ванне увеличивать не нужно (если бы в результате расчета было получено значение, меньшее 0,5 ч, то массу в ванне пришлось бы пересчитывать).
Таблица 3.3
Результаты выполнения задания для варианта 1
| Параметры | , г
| , г
|
| , г
| , г
| , г
| , г
| , ч
| N, ч-1 | , ч
| |
| 11,92 | 357,70 | 17,885 | 0,055 | 0,0014 | 0,022 | 0,035 | 0,0032 | 312,3 | 1,014 |
Примечание. В ходе расчетов использовалось среднее значение длительности пайки (t = 6 с) и ширины полосы соприкосновения волны с платой ячейки (d = 25 мм).
Рис. 3.6. Пример простейшей схемы реализации АСУ технологической средой (ТС) при пайке двойной волной припоя (ДВП).
Рис. 3.7. Пример схемы реализации АСУ средней сложности для контроля и управления параметрами ТС при пайке ДВП.
Рис. 3.8. Пример схемы реализации АСУ с применением универсальных средств контроля и управления параметрами ТС при пайке ДВП.
2. Пайка ДВП имеет ограничения по типу конструкций компонентов (например, она пригодна только для самых простых поверхностно-монтируемых компонентов, поэтому для повышения функциональных возможностей процесса пайки в производстве ячеек ЭУ с высокоплотным монтажом, рекомендуется использовать 2 модуля пайки: ДВП и оплавлением дозированного припоя с согласующим интерфейсом и универсальными средствами АСУ, обслуживающей оба модуля.
3. Практически важным является поиск новых, более технико-экономически целесообразных и компактных средств контроля параметров ТС.
4. Все параметры, которые требовалось определить, найдены, и задание можно считать выполненным.
Контрольные вопросы
1. Охарактеризуйте основные физико-химические процессы, которые происходят при пайке. Какова их связь с качеством паянных соединений?
2. В чем состоит специфика автоматизированных процессов пайки?
3. Каково назначение монтажа в производстве ЭВС? Почему выбирают пайку в качестве метода микроконтактирования?
4. В чем состоит отличие групповых способов пайки с применением специальных инструментов и без них с точки зрения перспективности их использования?
5. Каковы отличия способа пайки волной припоя от пайки двойной волной припоя? Каким образом это сказывается на качестве паянных соединений?
6. Что такое технологическая среда и с какой целью стабилизируют ее параметры?
7. Назовите причины убыли припоя из ванны в процессе пайки волной припоя.
8. С чем связано изменение состава расплава припоя в припойной ванне?
9. С какой целью используются защитные жидкости в припойной ванне?
10. Каково назначение второй финишной волны припоя?
11. Можно ли использовать в качестве припоя только одно олово? И почему стараются при пайке использовать эвтектические сплавы?
12. Какой принцип лежит в основе построения АСУТП и каковы могут быть ее основные функции?
13. Назовите средства реализации автоматизированного контроля.
14. Назовите основные средства реализации контроля и управления параметрами технологических сред.
15. Что собой представляют агрегатные комплексы технических средств локальных систем автоматического контроля и регулирования технологических процессов?
16. Каковы особенности функционирования первичных преобразователей в АСУТП?
17. Какие разновидности датчиков используют для контроля температуры? Какие принципы заложены в основу их функционирования?
18. Назовите первичные преобразователи, которые можно использовать для контроля массы припоя в ванне.
19. Какие принципы функционирования реализуются в анализаторах?
20. С какой целью в расплав припоя вводят небольшое количество материала металлизации коммутационной платы?
Рекомендуемая литература
1. Технология ЭВА, оборудование и автоматизация. /В.Г.Алексеев, В.Н.Гриднев, Ю.И.Нестеров и др.- М.: Высш. шк., 1984. - С.136-150.
2. Технология и автоматизация производства радиоэлектронной аппаратуры. /Под ред. А.П. Достанко, Ш.М. Чабдарова.- М.: Радио и связь, 1989. -С. 175-200.
3. Заводян А. В., Волков В. А. Производство перспективных ЭВС. Ч.2. - М.: МИЭТ, 1999. -С. 182-232.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4