Пайка оплавлением - Reflow soldering

Пример перехода к шипу тепловой профиль.
Пример пайки оплавлением тепловой профиль.

Пайка оплавлением это процесс, в котором паяльная паста (липкая смесь порошкообразных припаять и поток ) используется для временного присоединения одного или тысяч крошечных электрических компонентов к их контактные площадки, после чего вся сборка подвергается контролируемому нагреву. Паяльная паста оплавляется в расплавленном состоянии, образуя прочные паяные соединения. Нагрев можно осуществить, пропустив сборку через печь оплавления или под инфракрасная лампа или путем пайки отдельных стыков [нетрадиционным способом] распаляющим карандашом с горячим воздухом.

Пайка оплавлением в длинных промышленных конвекционных печах является предпочтительным методом пайки. технология поверхностного монтажа компоненты или SMT для печати печатная плата или печатной платы. Каждый сегмент печи имеет регулируемую температуру в соответствии с конкретными тепловыми требованиями каждой сборки. Печи оплавления, специально предназначенные для пайки компонентов поверхностного монтажа, также могут использоваться для сквозное отверстие компонентов, заполнив отверстия паяльной пастой и вставив выводы компонентов через пасту. Пайка волной тем не менее, это был распространенный метод пайки компонентов со сквозными отверстиями с несколькими выводами на печатную плату, предназначенный для компонентов поверхностного монтажа.

При использовании на платах, содержащих смесь компонентов SMT и плакированных сквозных отверстий (PTH), оплавление сквозных отверстий, если это возможно с помощью специально модифицированных пастообразных трафаретов, может позволить исключить этап пайки волной из процесса сборки, что потенциально снижает сборку расходы. Хотя это можно сказать и о свинцово-оловянных паяльных пастах, использовавшихся ранее, бессвинцовые припои, такие как SAC, представляют проблему с точки зрения пределов регулировки температурного профиля печи и требований к специализированным сквозным компонентам, которые должны быть припаяны вручную. проволока или не может выдерживать высокие температуры, направленные на печатные платы, когда они движутся по конвейеру печи оплавления. Пайка оплавлением сквозных компонентов с использованием паяльной пасты в конвекционной печи называется интрузивной пайкой.

Целью процесса оплавления является достижение паяльной пастой эвтектической температуры, при которой конкретный припойный сплав претерпевает фазовый переход в жидкое или расплавленное состояние. В этом конкретном диапазоне температур расплавленный сплав демонстрирует свойства адгезии. Расплавленный припой ведет себя как вода, обладая свойствами когезии и адгезии. При достаточном количестве флюса в состоянии ликвидуса расплавленные припои будут демонстрировать характеристику, называемую «смачиванием».

Смачивание - это свойство сплава в пределах его определенного диапазона эвтектических температур. Смачивание является необходимым условием для образования паяных соединений, которые соответствуют критериям «приемлемых» или «целевых» условий, в то время как «несоответствие» считается дефектным согласно IPC.

Температурный профиль печи оплавления подходит для характеристик конкретной сборки печатной платы, размера и глубины слоя заземляющего слоя внутри платы, количества слоев внутри платы, например, количества и размера компонентов. Температурный профиль для конкретной печатной платы позволит оплавить припой на прилегающие поверхности без перегрева и повреждения электрических компонентов сверх их температурного допуска. В обычном процессе пайки оплавлением обычно есть четыре стадии, называемые «зонами», каждая из которых имеет свой тепловой профиль: разогреть, термическое замачивание (часто сокращается до замочить), оплавление, и охлаждение.

Зона предварительного нагрева

Предварительный нагрев - это первая стадия процесса оплавления. Во время этой фазы оплавления вся плата в сборе достигает заданной температуры выдержки или выдержки. Основная цель этапа предварительного нагрева - безопасно и стабильно довести всю сборку до температуры выдержки или перед оплавлением. Предварительный нагрев также дает возможность летучим растворителям в паяльной пасте выделяться газ. Для того чтобы растворители пасты удалялись должным образом, а сборка могла безопасно достичь температур перед оплавлением, печатная плата должна нагреваться равномерно и линейно. Важным показателем для первой фазы процесса оплавления является наклон или повышение температуры в зависимости от времени. Часто это измеряется в градусах Цельсия в секунду, C / s. Многие переменные влияют на целевую скорость наклона производителя. К ним относятся: заданное время обработки, летучесть паяльной пасты и особенности компонентов. Важно учитывать все эти переменные процесса, но в большинстве случаев соображения о чувствительных компонентах имеют первостепенное значение. «Многие компоненты треснут, если их температура изменяется слишком быстро. Максимальная скорость теплового изменения, которую могут выдержать наиболее чувствительные компоненты, становится максимально допустимой крутизной ». Однако, если термочувствительные компоненты не используются и максимизация пропускной способности вызывает большую озабоченность, можно настроить агрессивные значения крутизны для сокращения времени обработки. По этой причине многие производители увеличивают эти значения крутизны до максимально допустимого значения 3,0 ° C / сек. И наоборот, если используется паяльная паста, содержащая особенно сильные растворители, слишком быстрый нагрев сборки может легко вызвать неконтролируемый процесс. Поскольку летучие растворители выделяются в атмосферу, они могут разбрызгивать припой с контактных площадок на плату. Образование шариков припоя - основная проблема сильного выделения газа на этапе предварительного нагрева. После того, как плита нагревается до температуры на этапе предварительного нагрева, пора переходить к этапу замачивания или предварительного оплавления.

Зона термической выдержки

Вторая часть, термическая выдержка, обычно составляет от 60 до 120 секунд для удаления летучих компонентов паяльной пасты и активации потоки, где начинаются компоненты потока окись уменьшение количества выводов компонентов и контактных площадок. Слишком высокая температура может привести к разбрызгиванию припоя или образованию комков, а также к окислению пасты, контактных площадок и выводов компонентов. Точно так же флюсы могут не активироваться полностью, если температура слишком низкая. В конце зоны замачивания a тепловое равновесие всего узла желательно непосредственно перед зоной оплавления. Рекомендуется использовать профиль выдержки для уменьшения разницы T между компонентами различных размеров или в случае очень большой сборки печатной платы. Профиль впитывания также рекомендуется для уменьшения образования пустот в упаковках с массивом площадей.[1]

Зона оплавления

Третий участок, зона оплавления, также называется «временем оплавления» или «температурой над ликвидусом» (TAL), и это часть процесса, в которой достигается максимальная температура. Важным фактором является пиковая температура, которая является максимально допустимой температурой всего процесса. Обычно максимальная температура на 20-40 ° C выше ликвидуса.[1] Этот предел определяется компонентом в сборке с наименьшим допуском на высокие температуры (компонент, наиболее подверженный термическому повреждению). Стандартное правило - вычесть 5 ° C из максимальной температуры, которую может выдержать наиболее уязвимый компонент, чтобы достичь максимальной температуры процесса. Важно следить за технологической температурой, чтобы она не превысила этот предел. Кроме того, высокие температуры (выше 260 ° C) могут вызвать повреждение внутренних умирает из SMT компоненты, а также способствуют интерметаллид рост. И наоборот, недостаточно высокая температура может помешать правильному оплавлению пасты.

Пример коммерческой печи оплавления.

[2]

Пример современного термопрофиля

Время над уровнем ликвидуса (TAL) или время до оплавления определяет, как долго припой находится в жидком состоянии. Флюс снижает поверхностное натяжение на стыке металлов, обеспечивая металлургическое соединение, позволяя объединяться отдельным сферам припоя. Если время профиля превышает спецификацию производителя, результатом может быть преждевременная активация или расход флюса, что приводит к эффективной «сушке» пасты перед формированием паяного соединения. Недостаточное соотношение времени и температуры вызывает снижение очищающего действия флюса, что приводит к плохому смачивание, недостаточное удаление растворителя и флюса и, возможно, дефектные паяные соединения. Эксперты обычно рекомендуют самый короткий возможный TAL, однако в большинстве паст указывается минимальный TAL, равный 30 секундам, хотя, похоже, нет четкой причины для этого конкретного времени. Одна из возможностей заключается в том, что на печатной плате есть места, которые не измеряются во время профилирования, и поэтому установка минимально допустимого времени на 30 секунд снижает вероятность того, что неизмеренная область не будет оплавлена. Высокое минимальное время оплавления также обеспечивает запас прочности при изменении температуры печи. Время смачивания в идеале должно оставаться ниже 60 секунд выше уровня ликвидуса. Дополнительное время нахождения выше уровня ликвидуса может вызвать чрезмерный рост интерметаллидов, что может привести к хрупкости суставов. Плата и компоненты также могут быть повреждены при повышенной температуре выше ликвидуса, и для большинства компонентов установлен четко определенный временной предел, в течение которого они могут подвергаться воздействию температур выше определенного максимума. Слишком малое время нахождения выше уровня ликвидуса может привести к задержке растворителей и флюса и создать возможность образования холодных или тусклых соединений, а также пустот в припое.

Зона охлаждения

Последняя зона представляет собой зону охлаждения для постепенного охлаждения обработанной платы и затвердевания паяных соединений. Правильное охлаждение предотвращает образование избыточных интерметаллидов или тепловой удар к компонентам. Типичные температуры в зоне охлаждения находятся в диапазоне 30–100 ° C (86–212 ° F). Выбрана высокая скорость охлаждения для создания мелкозернистой структуры, наиболее механически прочной.[1] В отличие от максимальной скорости нарастания, скорость замедления часто игнорируется. Может случиться так, что скорость линейного изменения менее критична выше определенных температур, однако максимально допустимый наклон для любого компонента должен применяться независимо от того, нагревается или охлаждается компонент. Обычно рекомендуется скорость охлаждения 4 ° C / с. Это параметр, который следует учитывать при анализе результатов процесса.

Этимология

Термин «оплавление» используется для обозначения температуры, выше которой твердая масса припоя сплав обязательно тает (а не просто размягчается). При охлаждении ниже этой температуры припой не будет течь. Нагретый над ним еще раз, припой снова потечет - следовательно, «снова потечет».

Современные методы сборки схем, в которых используется пайка оплавлением, не обязательно позволяют припою растекаться более одного раза. Они гарантируют, что гранулированный припой, содержащийся в паяльной пасте, превышает температуру оплавления соответствующего припоя.

Термическое профилирование

Температурное профилирование - это процесс измерения нескольких точек на печатной плате для определения теплового отклонения, которое она принимает в процессе пайки. В электронной промышленности SPC (статистический контроль процесса) помогает определить, находится ли процесс под контролем, по сравнению с оплавлением. параметры, определяемые технологиями пайки и требованиями к компонентам. [3] [4]Современные программные инструменты позволяют фиксировать профиль, а затем автоматически оптимизировать его с помощью математического моделирования, что значительно сокращает время, необходимое для установления оптимальных настроек процесса. [5]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c Основы профилирования - фазы оплавления
  2. ^ Жируар, Роланд. «Печь оплавления Mark5». Веб-сайт Heller Industries. Heller Industries Inc. Получено 28 сентября 2012.
  3. ^ http://www.ipc.org/TOC/IPC-7530.pdf
  4. ^ http://www.solderstar.com/files/5214/3567/7718/SolderStar_Reflow_Solutions.pdf
  5. ^ https://www.youtube.com/watch?v=403RFnmL2hk

http://www.idc-online.com/technical_references/pdfs/electronic_engineering/Electronics_Manufacture_Intrusive_Reflow.pdf

внешняя ссылка

* Руководство по интрузивному оплавлению, проектированию и сборке штифта в отверстии Электронная книга - Боб Уиллис