Пайки оплавлением паяльной пасты

Определение и назначение

Настоящая инструкция предназначена для анализа графика температурного профиля пайки печатных узлов методом конвекционного оплавления паяльной пасты.

Инструкция предназначена для инженеров – технологов сборочного цеха, инженеров, управляющих оборудованием линии поверхностного монтажа.

Термины и определения

  • Эвтектический сплав — легкоплавкий металлический сплав, имеющий низкую температуру плавления,  не превышающую температуру плавления олова. Для получения легкоплавких сплавов используются свинец (PB), висмут (Vi), олово (Sn), кадмий (Cd), таллий (Tl),индий (In), галлий (Ga), иногда цинк (Zn).  За нижний предел температуры плавления всех известных легкоплавких сплавов принимается температура плавления амальгамы таллия (61 °C), за верхний предел взята температура плавления чистого олова (231,9°C).
  • Тиксотропность  — свойство текучего материала увеличивать текучесть (вязкость) при перемешивании. Тиксотропный материал хорошо расжижается при механическом перемешивании (взбалтывании) и увеличивает вязкость (cгущается) в состоянии покоя.
  • Солидус (лат. solidus «твёрдый») — линия на фазовых диаграммах, на которой исчезают последние капли расплава, или температура, при которой плавится самый легкоплавкий компонент.
  • ТКР — температурный коэффициент расширения (объемного или линейного).
  • Tg — температура стеклования — температура, при которой полимер переходит при охлаждении из высокоэластичного или вязкотекучего в стеклообразное состояние. Полимеры при температурах выше температуры стеклования находится в пластичном состоянии, а при температурах ниже температуры стеклования — в твердом и достаточно хрупком состоянии.
  • MSL (Moisture Sensitivity Level) — уровень чувствительности электронного компонента к влажности.
  • JEDEC — Joint Electron Devices – международная ассоциация по стандартизации в области электроники.

Технические данные

Процесс оплавления припоя, содержащегося в паяльной пасте, выполняется в конвекционной печи путем нагрева печатной платы с компонентами. Конвекционная пайка осуществляется с помощью потоков горячего воздуха. Многозонные печи, предназначенные для серийного производства, позволяют получить достаточно равномерный нагрев.

Создание оптимального температурного профиля оплавления является одним из важнейших факторов в обеспечении качества паяных соединений, получаемых на печатной плате методом поверхностного монтажа. Температурный профиль непосредственно влияет на ряд характеристик печатного узла электронного модуля:

  • распределение температур по площади печатной платы (ПП);
  • способность паяльной пасты к смачиванию соединяемых поверхностей;
  • очищающую от окислов способность флюса;
  • микроструктуру паяных соединений;
  • плоскостность печатной платы;
  • уровень остаточных напряжений в печатном узле и т.д.

Термопрофиль представляет собой зависимость температуры, воздействию которой подвергается сборка в печи, от времени прохождения через печь. В процессе оплавления паяльная паста подвергается нагреву. В типичном профиле оплавления выделяют четыре этапа (рис. 1):

  • постепенного нагрева с заданной скоростью до температуры предварительного нагрева (первый фронт);
  • выдержки/активации флюса (первая ступень);
  • нагрева до так называемой пиковой температуры (второй фронт), превышающей температуру плавления припоя;
  • небольшой выдержки (вторая ступень);
  • охлаждения  с заданной скоростью.

Рис. 1.  Типичный температурный профиль пайки

Описание: Типичный температурный профиль пайки

Основными параметрами профиля оплавления на каждом этапе являются: максимальная и минимальная температура, скорость нагрева/охлаждения (наклон соответстующего участка профиля), время выдержки.

Неправильное построение термопрофиля может приводить к образованию различных дефектов, в частности, растрескиванию керамических и пластиковых корпусов компонентов и короблению печатной платы, образованию шариков припоя, пустот в паяных соединениях и пр.

Фронты температурного профиля должны иметь определенный наклон, что необходимо для снижения теплового удара. Наклон фронта определяется свойствами паяльной пасты, требованиями, предъявляемыми изготовителями компонентов, и конструкцией платы. Если нагрев оказывается слишком быстрым, это может привести к повреждению платы или компонентов, а также неоптимальной работе паяльной пасты. Если нагрев слишком медленный, это необоснованно удлиняет операционный цикл пайки. Типичные значения скорости нагрева лежат в пределах от 2 до 3 ?С/сек.

Первая ступень термопрофиля необходима для прогрева платы и компонентов, удаления из них влаги, активации флюса и частичного удаления органических наполнителей, содержащихся в паяльной пасте (высушивание пасты). Температура ступени зависит, в основном, от типа пасты и, как правило, лежит в пределах (100-150)?С для паст на основе эвтектического оловянно-свинцового припоя и (150-175)?С для бессвинцовых паст.

При повышении температуры от температуры окружающей среды до 150 ?С  начинают испаряться растворители, содержащиеся во флюсе, смолы и тиксотропные материалы пасты начинают размягчаться. Температура размягчения паяльной пасты находится в диапазоне (100-140)?С.

Если повышение температуры происходит очень резко, то твердые компоненты флюса размягчаются, когда большая часть растворителей еще находится в пасте, вязкость пасты резко уменьшается, что может привести к осадке (растеканию) пасты, а затем, к образованию перемычек и бусинок припоя.

Стадия предварительного нагрева

При достижении температуры 150?С паяльная паста высушивается, испаряются ее наиболее летучие компоненты (органические наполнители), удаляется влага из компонентов и печатной платы, флюс активируется, равномерно распределяется тепло на плате. Постепенно флюс становится очень мягким, переходит в жидкое состояние, равномерно обволакивает частицы припоя, защищая их от повторного окисления, и растекается по площадкам платы. Одновременно с повышением температуры и плавлением компонентов флюса начинают работать канифоли и активаторы, которые удаляют пленку окиси с частиц припоя и с паяемых поверхностей.  Скорость подъема температуры обычно составляет (1?3)°С/сек., максимальная температура на стадии предварительного нагрева составляет от 100 до 150°С. Более быстрый рост температуры приводит к разбрызгиванию паяльной пасты, образованию шариков и перемычек припоя, а также может вызвать повреждения термочувствительных компонентов

(появление трещин в керамических чип- резисторах, конденсаторах, резонаторах  и т.п.).

Бессвинцовые сплавы требуют более высоких температур предварительного нагрева – до (150?200)°С.

Реальный  термопрофиль оказывается сглаженным за счет теплоемкости платы и компонентов (рис. 2). Профиль также зависит от точки на плате, поскольку разные области печатного узла обладают различной теплоемкостью.

Рис. 3. Типовой термопрофиль пайки с применением паяльной пасты со сплавом Sn62/Pb36/Ag2.