Reflow pájení - Reflow soldering

Příklad tepelného profilu Ramp to Spike .
Příklad tepelného profilu pájení přetavením .

Přetavovací pájení je proces, při kterém se pomocí pájecí pasty (lepivé směsi práškové pájky a tavidla ) dočasně připevní jeden nebo tisíce drobných elektrických součástek k jejich kontaktním podložkám , načež se celá sestava vystaví kontrolovanému teplu. Pájecí pasta se v roztaveném stavu taví a vytváří trvalé pájecí spoje. Zahřívání může být provedeno průchodem sestavy reflow pecí , pod infračervenou lampou , nebo (netradičně) pájením jednotlivých spojů odpájecí horkovzdušnou tužkou.

Přetavovací pájení s dlouhými průmyslovými konvekčními pecemi je upřednostňovaným způsobem pájení povrchových technologických komponent nebo SMT na desku s plošnými spoji nebo na desku plošných spojů. Každý segment pece má regulovanou teplotu podle konkrétních tepelných požadavků každé sestavy. Reflow pece určené speciálně pro pájení součástí pro povrchovou montáž mohou být také použity pro součásti s průchozími otvory vyplněním otvorů pájecí pastou a vložením vodičů součásti pastou. Vlnové pájení je však běžnou metodou pájení vícevodičových součástek s průchozími otvory na desku plošných spojů navrženou pro součásti pro povrchovou montáž.

Při použití na deskách obsahujících kombinaci komponent SMT a pokovených průchozích otvorů (PTH) může přetavení skrz díru, je-li dosažitelné specificky upravenými šablonami pasty, umožnit vyloučení kroku pájení vlnou z montážního procesu, což potenciálně snižuje montáž náklady. I když to lze říci o pájecích pastách olovo-cín používaných dříve, bezolovnaté slitiny pájky, jako je SAC, představují výzvu, pokud jde o limity úpravy teplotního profilu pece a požadavky na speciální součásti průchozích otvorů, které musí být ručně pájeny pájkou drát nebo nemohou přiměřeně odolat vysokým teplotám namířeným na desky plošných spojů, které cestují na dopravníku reflow pece. Pájení přetavením součástí s průchozími otvory pomocí pájecí pasty v procesu konvekční pece se nazývá dotěrné pájení.

Cílem procesu přetavení je, aby pájecí pasta dosáhla eutektické teploty, při které konkrétní slitina pájky prochází fázovou změnou do kapalného nebo roztaveného stavu. V tomto specifickém teplotním rozsahu vykazuje roztavená slitina vlastnosti adheze. Slitina roztavené pájky se chová podobně jako voda, má vlastnosti soudržnosti a přilnavosti. S dostatečným tokem, ve stavu liquidus, budou roztavené slitiny pájky vykazovat charakteristiku zvanou „smáčení“.

Smáčení je vlastností slitiny v jejím specifickém eutektickém teplotním rozsahu. Smáčení je nezbytnou podmínkou pro vytvoření pájených spojů, které splňují kritéria jako „přijatelné“ nebo „cílové“ podmínky, zatímco „nevyhovující“ je podle IPC považováno za vadné .

Teplotní profil přetavovací pece je vhodný například pro charakteristiky konkrétní sestavy desek s obvody, pro velikost a hloubku základní desky v desce, pro počet vrstev v desce, pro počet a velikost komponent. Teplotní profil pro konkrétní desku s obvody umožní přetavení pájky na sousední povrchy, aniž by došlo k přehřátí a poškození elektrických součástek nad jejich teplotní toleranci. V konvenčním procesu pájení přetavením obvykle existují čtyři stupně, nazývané „zóny“, z nichž každý má odlišný tepelný profil: předehřívání , tepelné namáčení (často zkrácené pouze na namáčení ), přetavení a chlazení .

Předehřívací zóna

Předehřátí je první fází procesu přetavení. Během této fáze přetavování celá sestava desky stoupá k cílové teplotě namáčení nebo setrvání. Hlavním cílem fáze předehřátí je dostat celou sestavu bezpečně a konzistentně na teplotu máčení nebo předtavení. Předehřátí je také příležitostí pro těkavá rozpouštědla v pájecí pastě na odplyny. Aby byla rozpouštědla pasty řádně vytlačena a aby sestava bezpečně dosáhla teplot před přetavením, musí být deska plošných spojů zahřívána konzistentně a lineárně. Důležitou metrikou pro první fázi procesu přetavení je rychlost teplotního sklonu nebo nárůst oproti času. To se často měří ve stupních Celsia za sekundu, C/s. Mnoho proměnných ovlivňuje cílovou hodnotu sklonu výrobce. Patří sem: cílová doba zpracování, těkavost pájecí pasty a úvahy o součástech. Je důležité zohlednit všechny tyto procesní proměnné, ale ve většině případů jsou nejdůležitější aspekty citlivých komponent. "Mnoho komponent praskne, pokud se jejich teplota změní příliš rychle." Maximální rychlost tepelných změn, které nejcitlivější součásti vydrží, se stává maximálním povoleným sklonem “. Pokud však nejsou použity tepelně citlivé součásti a maximalizace propustnosti je velkým problémem, mohou být přizpůsobeny agresivní rychlosti sklonu, aby se zkrátila doba zpracování. Z tohoto důvodu mnoho výrobců tlačí tyto hodnoty sklonu až na maximální společnou přípustnou rychlost 3,0 ° C/sekundu. Naopak, pokud se používá pájecí pasta obsahující obzvláště silná rozpouštědla, příliš rychlé zahřátí sestavy může snadno vytvořit proces mimo kontrolu. Jak těkavá rozpouštědla odcházejí, mohou stříkat pájku z podložek a na desku. Pájecí kuličkování je hlavním problémem násilného odplyňování během předehřívací fáze. Jakmile se deska ve fázi předehřátí zahřeje na teplotu, je čas vstoupit do fáze namáčení nebo předtavení.

Tepelná napouštěcí zóna

Druhá sekce, tepelné namáčení, je obvykle 60 až 120sekundová expozice pro odstranění těkavých látek pájecí pasty a aktivaci toků , kde složky tavidla začínají redukovat oxid na vedeních a podložkách komponent. Příliš vysoká teplota může vést k rozstřiku pájky nebo kuličkování, stejně jako k oxidaci pasty, upevňovacích podložek a zakončení součásti. Podobně se tavidla nemusí plně aktivovat, pokud je teplota příliš nízká. Na konci zóny máčení je požadována tepelná rovnováha celé sestavy těsně před zónou přetavení. Profil máčení je navržen tak, aby snížil jakýkoli delta T mezi součástmi různých velikostí nebo pokud je sestava DPS velmi velká. Doporučuje se také profil namáčení, aby se zmenšilo vyprazdňování v balících typů plošných polí.

Reflow zóna

Třetí část, zóna přetavení, je také označována jako „doba nad přetavením“ nebo „teplota nad kapalinou“ (TAL) a je částí procesu, kde je dosaženo maximální teploty. Důležitým hlediskem je špičková teplota, což je maximální přípustná teplota celého procesu. Běžná maximální teplota je 20–40 ° C nad likvidem. Tento limit je určen komponentou na sestavě s nejnižší tolerancí pro vysoké teploty (součást nejvíce náchylná k tepelnému poškození). Standardním doporučením je odečíst 5 ° C od maximální teploty, kterou může nejzranitelnější komponenta udržet, aby dosáhla maximální teploty pro proces. Je důležité sledovat teplotu procesu, aby nepřekročila tento limit. Vysoké teploty (nad 260 ° C) mohou navíc způsobit poškození vnitřních matric součástí SMT a také podpořit intermetalický růst. Naopak teplota, která není dostatečně horká, může zabránit adekvátnímu přetavení pasty.

Příklad komerční přetavovací pece.

Příklad moderního tepelného profilovače

Čas nad liquidus (TAL) nebo čas nad přetavením měří, jak dlouho je pájka kapalina. Tavidlo snižuje povrchové napětí ve spoji kovů, aby se dosáhlo metalurgického spojení, což umožňuje kombinování jednotlivých kuliček pájecího prášku. Pokud doba profilu překročí specifikaci výrobce, může to mít za následek předčasnou aktivaci nebo spotřebu tavidla, což efektivně „vysuší“ pastu před vytvořením pájeného spoje. Nedostatečný vztah čas/teplota způsobuje snížení čisticího účinku tavidla, což má za následek špatné smáčení , nedostatečné odstranění rozpouštědla a tavidla a případně vadné pájené spoje. Odborníci obvykle doporučují nejkratší možnou TAL, většina past však uvádí minimální TAL 30 sekund, ačkoli se zdá, že pro tento konkrétní čas neexistuje jasný důvod. Jednou z možností je, že na desce plošných spojů jsou místa, která nejsou měřena během profilování, a proto nastavení minimální přípustné doby na 30 sekund snižuje pravděpodobnost, že se neměřená oblast nebude přetavovat. Vysoká minimální doba přetavení také poskytuje jistotu proti změnám teploty trouby. Doba smáčení se ideálně drží pod 60 sekundami nad liquidem. Další doba nad tekutinou může způsobit nadměrný intermetalický růst, který může vést ke křehkosti kloubů. Deska a součásti mohou být také poškozeny při prodloužené teplotě přes liquidus a většina komponent má dobře definovaný časový limit, jak dlouho mohou být vystaveny teplotám nad daným maximem. Příliš málo času nad liquidem může zachytit rozpouštědla a tavidlo a vytvořit potenciál pro studené nebo matné spoje a také pájené dutiny.

Chladicí zóna

Poslední zónou je chladicí zóna pro postupné ochlazování zpracované desky a tuhnutí pájených spojů. Správné chlazení inhibuje nadměrnou intermetalickou tvorbu nebo tepelné šoky součástí. Typické teploty v chladicí zóně se pohybují od 30–100 ° C (86–212 ° F). Rychlá rychlost chlazení je zvolena tak, aby vytvořila strukturu jemných zrn, která je mechanicky nejzdravější. Na rozdíl od maximální rychlosti náběhu je rychlost snižování často ignorována. Může se stát, že rychlost náběhu je při určitých teplotách méně kritická, nicméně maximální přípustný sklon pro jakoukoli součást by měl platit bez ohledu na to, zda se součást zahřívá nebo ochlazuje. Obvykle se doporučuje rychlost chlazení 4 ° C/s. Je to parametr, který je třeba vzít v úvahu při analýze výsledků procesu.

Etymologie

Termín "přetavení" se používá k označení teploty, nad kterou se jistá tavenina pevné hmoty slitiny pájky (na rozdíl od pouhého změkčení). Pokud se ochladí pod tuto teplotu, pájka nepoteče. Zahřátá nad ním ještě jednou, pájka bude opět proudit-tedy „přetékat“.

Moderní techniky montáže obvodů, které používají pájení přetavením, nutně nedovolují, aby pájka tekla více než jednou. Zaručují, že granulovaná pájka obsažená v pájecí pastě překročí teplotu přetavení použité pájky.

Tepelné profilování

Tepelné profilování je akt měření několika bodů na obvodové desce za účelem určení tepelné odchylky, kterou proces pájení vyžaduje. V odvětví výroby elektroniky pomáhá SPC (Statistical Process Control) určit, zda je proces pod kontrolou, měřeno podle parametrů přetavení definovaných technologiemi pájení a požadavky na součásti. Moderní softwarové nástroje umožňují zachytit profil a poté jej automaticky optimalizovat pomocí matematické simulace, což výrazně zkracuje čas potřebný k vytvoření optimálního nastavení procesu.

Viz také

Reference