Сепараторы припойного шлака – что это?

 

Григорий Гетьман, руководитель отдела технологического оборудования, ООО «НПП «Универсал Прибор»

Статья размещена в журнале «Электронные Компоненты» №10

В статье рассматриваются принципы работы, конструктивные особенности и преимущества использования автоматических сепараторов припойного шлака (оксидов припоя) на предприятиях, использующих технологию волновой пайки. Описываются ключевые технические характеристики и типы оборудования на примере модельного ряда компании Anewbest («Аньюбэст»). Показывается экономическая и экологическая целесообразность внедрения этих систем для современных электронных производств.

 

Технология волновой пайки остается одним из ключевых процессов в серийном производстве печатных плат (ПП). Несмотря на распространение альтернативных методов, она обеспечивает высокую производительность и надежность паяных соединений. Однако неизбежным побочным продуктом этого процесса является образование припойного шлака – оксидной пленки, состоящей из окислов металлов (в основном, олова и свинца или их бессвинцовых аналогов), флюса и других примесей. Шлак образуется на поверхности расплавленного припоя под воздействием высокой температуры и кислорода (рис. 1–2).

Рис. 1. Ванна припоя в системе волновой пайки

Рис. 2. Ванна с припойным шлаком

 

Накопление шлака негативно сказывается на качестве пайки по многим причинам. Во-первых, возрастает риск образования перемычек между близко расположенными выводами. Во-вторых, попадание шлака в крыльчатку насоса может привести к нестабильности высоты нагнетаемой волны или, что еще хуже, выходу насоса из строя.

Традиционный способ чистки заключается в снятии верхнего слоя припоя, смешанного со шлаком. Эта операция осуществляется при помощи металлических лопаток. Предварительно можно разбить крупные комки, превратив их в порошок.

Однако описанный способ приводит к значительным прямым материальным потерям, так как вместе со шлаком извлекается и полезный, неокисленный припой. В среднем, в извлеченном материале содержится около 70% пригодного к повторному использованию припоя и 30% шлака, остатков флюса и окислов. Традиционно весь этот материал собирался и отправлялся на аффинажные заводы для сложной переработки, что означало для предприятия безвозвратные потери дорогостоящего материала.

К счастью, для решения этой проблемы были разработаны специализированные аппараты – сепараторы припойного шлака (или, как их часто называют, шлакоотделители). Эти установки (рис. 3) позволяют организовать переработку олова непосредственно на производственной площадке, вернув в рабочий процесс до 90% содержащегося в шлаке металла. Что особенно примечательно, состав припоя на выходе сепаратора полностью идентичен составу исходного сырья.

Рис. 3. Цель сепараторов припойного шлака – экономия ресурсов

 

Принцип работы и основные технологические этапы

Принцип действия сепаратора основан на физическом разделении компонентов шлака – металлического припоя и легких оксидов (золы) – за счет разницы их плотностей при контролируемой температуре. Процесс можно разделить на несколько ключевых этапов.

1. Загрузка. Собранный с волновых систем пайки шлак вручную или автоматически (с помощью шнекового механизма) загружается в бункер сепаратора.
2. Нагрев и плавление. Загруженный шлак поступает в зону нагрева (ванну или смесительную зону), где находится расплавленный припой. Мощные нагревательные элементы (ТЭНы), часто с PID-регулировкой, плавно и точно доводят температуру в зоне до рабочей, обычно около 280–350°C. Это выше температуры плавления припоя, но недостаточно для восстановления оксидов химическим путем. На этом этапе происходит расплавление металлических частиц, захваченных в оксидной массе.
3. Перемешивание. Это самый важный этап. Специальная мешалка (лопастная или шнековая), приводимая в действие электродвигателем, интенсивно перемешивает расплавленную массу. За счет механического воздействия и смачивания тяжелые капли чистого припоя объединяются и отделяются от легких неметаллических оксидов. Конструкция мешалки является запатентованной особенностью многих моделей и напрямую влияет на эффективность сепарации.
4. Сепарация и отвод. Под действием силы тяжести очищенный жидкий припой как более плотный опускается на дно ванны. Легкая оксидная зола (tin ash) всплывает на поверхность. Конструкция сепаратора предусматривает раздельные каналы для сбора продуктов:
   • чистый припойотводится в специальную накопительную емкость. При достижении заданного уровня срабатывает датчик, и припой либо вручную, либо автоматически разливается в формы для получения стандартных слитков (обычно массой 1,3–1,5 кг);
   • оксидная золавытесняется через отдельный патрубок в контейнер для последующей утилизации. Качественный сепаратор позволяет добиться того, чтобы зола имела вид сухого порошка с минимальным содержанием видимых металлических частиц.
5. Фильтрация дыма. Процесс нагрева и перемешивания сопровождается выделением дыма и летучих органических соединений. Для соблюдения экологических норм и регламентов охраны труда сепараторы оснащаются системами фильтрации дыма, которые обычно оснащаются водяным затвором (для улавливания крупных частиц) и фильтрами с активированным углем (для нейтрализации запахов и мелких частиц).

На рынке представлены сепараторы, которые можно классифицировать по режиму работы и производительности.

• Автономные (оффлайн) сепараторы высокой производительности. В качестве примера можно привести модель ECON-SD800 (рис. 4). Это крупногабаритная установка весом около 500 кг для предприятий с большим объемом образования шлака. Она характеризуется высокой степенью автоматизации: предустановка времени работы, сенсорное управление, автоматическая подача шлака шнеком, большая емкость смесительной зоны (до 100 кг донного олова) и накопителя для чистого припоя (до 30 кг). Производительность таких моделей может достигать 120–150 кг шлака за 8-часовую смену. Они оптимальны для выделенного участка переработки.

Рис. 4. Сепаратор припойного шлака ECON-SD800

• Онлайн-сепараторы (Inline), например модель ECON-09F (рис. 5). Эти компактные устройства можно интегрировать непосредственно в линию волновой пайки. Шлак из паяльной ванны непрерывно или периодически подается в сепаратор, а очищенный припой возвращается, что обеспечивает практически замкнутый цикл и максимальную оперативность. Такие модели менее производительны (емкость смесительной зоны около 10 кг), но не требуют ручной переноски шлака и идеальны для постоянного поддержания чистоты паяльной ванны.

Рис. 5. Встраиваемый сепаратор припойного шлака

• Универсальные автоматические сепараторы. Пример: модель ECON-SD10MS (рис. 6). Эти сепараторы занимают промежуточное положение: они производительнее онлайн-моделей (емкость: до 70 кг, обработка: 15 кг/ч), но компактнее и мобильнее промышленных гигантов. Эти модели оснащены усовершенствованными функциями безопасности, к которым относятся теплоизоляция, снижающая температуру корпуса до 45°C, и удобными системами выгрузки готовых слитков.

Рис. 6. Универсальный сепаратор припойного шлака

 

Ключевые преимущества внедрения сепараторов припойного шлака

1. Прямая экономия средств. Возврат до 90% припоя из шлака позволяет значительно сократить закупки нового сырья. Окупаемость оборудования в зависимости от объема производства обычно составляет от нескольких месяцев до года.
2. Стабильность качества пайки. Регулярное удаление шлака из паяльной ванны волновой машины предотвращает попадание оксидов в зону пайки, что снижает количество дефектов (перемычек, непропаев).
3. Повышение экологичности. Сокращается объем опасных отходов (шлака), передаваемых на утилизацию. Вторичное использование припоя соответствует принципам «зеленого» производства.
4. Безопасность труда. Процесс сепарации происходит в закрытой системе, исключающей прямой контакт оператора с расплавленным металлом и вредными испарениями. Наличие систем дымоочистки улучшает условия на рабочем месте.
5. Автоматизация и простота использования. Современные сепараторы требуют минимального участия оператора: загрузка шлака, извлечение готовых слитков, что высвобождает трудовые ресурсы.

Сепараторы припойного шлака перестали быть экзотическим оборудованием и стали неотъемлемой частью экономически эффективного и технологически продвинутого электронного производства. Они решают сразу несколько критически важных задач, начиная с прямого снижения себестоимости продукции за счет переработки дорогостоящих материалов и заканчивая повышением качества выпускаемых изделий, а также улучшением экологических показателей.

Выбор конкретной модели – встраиваемого сепаратора, компактной универсальной установки или высокопроизводительного автономного комплекса – зависит от специфики производства, объемов выхода шлака и требуемой степени автоматизации. Однако в любом случае инвестиции в эту технологию являются стратегически верным шагом для любого предприятия, серьезно относящегося к своей конкурентоспособности и устойчивому развитию.