Конвекционная пайка. Обзор технологии
В первом случае отработка профиля пайки осуществляется путем изменения температуры внутри камеры со временем, а во втором – перемещением платы по конвейеру через несколько зон печи: зоны предварительного нагрева, зоны пайки и зоны охлаждения, каждая из которых имеет свою температуру. Плата находится в печи при максимальной температуре в течение нескольких десятков секунд, после чего проводится ее охлаждение.
В ряде случаев используется пайка в инертной среде, при которой происходит впуск азота в рабочую область печи для сведения к минимуму процесса окисления.
На формирование температурного профиля пайки оказывают влияние следующие факторы:
- паяльная паста;
- технологическое оборудование;
- компоненты;
- печатные платы.
Температурный профиль пайки состоит из четырех стадий: предварительного нагрева, стабилизации (зоны температурного выравнивания), оплавления и охлаждения.
При температуре более 90 °С* канифоль (смола), входящая в состав пасты, начинает размягчаться, а растворитель с высокой точкой кипения – испаряться. Размягчение канифоли приводит к уменьшению вязкости пасты, а испарение растворителя – к увеличению вязкости. При высокой скорости нарастания температуры превалирует первый процесс, что ведет к расползанию материала (типичный дефект в этом случае – бусинки припоя по бокам чип-компонентов).
При температуре порядка 150 °С начинается активное испарение растворителя, максимально активизируется флюс.
При температуре ликвидус пайки расплавляется припой, и из отдельных шариков формируется единая масса припоя. При этом припой под воздействием сил поверхностного натяжения растекается по очищенным флюсом металлическим поверхностям.
На стадии охлаждения происходит отверждение припоя и канифоли.
Стадия предварительного нагрева. Необходима для снижения теплового удара по электронным компонентам и печатным платам. На этой стадии происходит испарение растворителя из паяльной пасты. Температура предварительного нагрева лежит в пределах 95-130 °С, а скорость изменения температуры для традиционного профиля пайки составляет от 0,6-4,0 °С/сек. Заметим, что высокая скорость предварительного нагрева может вызывать повреждение компонентов, разбрызгивание шариков припоя, образование перемычек. Однако если скорость предварительного нагрева низка, то может происходить окисление контактных поверхностей и частиц припоя.
Стадия стабилизации, также называемая «стадия температурного выравнивания», позволяет активизировать флюсующую составляющую и удалить жидкость из паяльной пасты. Повышение температуры на этой стадии происходит очень медленно. Максимальная активация флюса происходит при температуре около 150 °С. Время стабилизации обычно лежит в пределах от 30 до 180 сек. В конце зоны стабилизации температура обычно достигает 150-170 °С.
Стадия оплавления. Для исключения чрезмерного роста интерметаллического соединения температура пайки должна не более чем на 30-40 °С превышать точку плавления паяльной пасты. Например, для наиболее распространенных сплавов Sn62/Pb36/Ag2 и Sn63/Pb37 температура пайки должна находится в пределах 205-225 °С. Низкая температура пайки (195-205 °С) обеспечивает слабую смачиваемость, особенно для компонентов с плохой паяемостью. Поэтому температуру на стадии оплавления устанавливают немного выше – в пределах 215-225 °С при скорости повышения температуры 2-4 °С. Рекомендуемое время выше точки плавления составляет 30-60 сек. Для массивных плат время выше точки плавления может быть увеличено до 90-120 сек. Высокая температура (240-260 °С) и время пайки (более 120 сек.) способствуют росту интерметаллического соединения. Чрезмерный рост интерметаллического соединения увеличивает хрупкость паяного соединения и ухудшает его внешний вид.
Стадия охлаждения. Для обеспечения максимальной прочности паяных соединений скорость охлаждения должна быть максимальной. В то же время высокая скорость охлаждения может вызывать термоудар по электронным компонентам. С другой стороны, медленное охлаждение приведет к интенсивному росту интерметаллического соединения, таким образом, паяное соединение становится более твердым, но хрупким. Рекомендуется проводить охлаждение со скоростью 3-4 °С/сек. до температуры ниже 130 °С. Ниже 130 °С скорость охлаждения может быть меньше, так как она уже не влияет ни на качество паяных соединений, ни на электронные компоненты.
Таким образом, окончательный выбор режимов проводится технологом, исходя из конструкции и материала печатной платы, типа и размеров компонентов, количества и плотности размещения компонентов на печатной плате, а также типа паяльной пасты. При выборе профиля пайки следует учитывать, что реальная температура на плате в процессе пайки будет ниже заданной в печи. Разница между реальной и заданной температурами зависит от конструкции печи, количества слоев и размера платы, размера и плотности размещения компонентов.