Температурный профиль пайки

Процесс автоматизированной пайки SMD компонентов, предполагает использование специальной паяльной пасты, которая оплавляясь, формирует особый интерметаллический слой. Паста, используемая для пайки, характеризуется гелеобразной консистенцией, в которой кроме микроскопических шариков припоя содержится флюс. Интерметаллический слой, образованный после оплавления пасты в печи, обеспечивает физическое и электрическое соединение между контактной площадкой на плате и контактом электронного компонента. При относительно небольшой толщине интерметаллического слоя 1-4 мкм, этого вполне достаточно для создания надежного паяного соединения. Технология оплавления паяльной пасты в печах, для формирование интерметаллического слоя, является одним из основных методов формирования паяных соединений при сборке печатных узлов (ПУ) на автоматизированной линии поверхностного монтажа (SMD). Основную решающую роль в качестве сборки ПУ и количестве дефектов, играет корректно подобранный температурный профиль печи.

Среди наиболее важных факторов, влияющих на формирование температурного профиля пайки, выделяют:

• электронные компоненты (здесь важны и габариты компонента, и теплоёмкость материала, из которого компонент изготовлен);
• ПП (печатные платы, для которых важны габариты, материал изготовления, а также качество металла в ПП);
• качество и тип паяльной пасты (имеет значение свинцовая или бессвинцовая паста используются, а также тип флюса);
• тип оборудования (в частности, печь для пайки оплавлением, которая может быть конвекционной, парофазной, инфракрасной и т.д., с несколькими зонами или одной, а также иметь дополнительные модули).

Что касается температурного профиля, то тут выделяют два основных типа:

• ступенчатый (он же полочный);
• линейный.

При анализе результатов экспериментальных паек для разработки температурного профиля важно принимать во внимание тот факт, что реальная температура на самой плате обычно бывает примерно на 20-30°С ниже тех температурных отметок, которые установлены в печи. Для удобства температурный профиль разделяют на четыре этапа (стадии). Поговорим о каждой стадии отдельно.

Предварительный нагрев

Эта стадия крайне важна. Она позволяет снизить уровень теплового удара, который приходится на электронные компоненты и печатные платы. На этом этапе при нагреве происходит испарение растворителя (он является одной из составляющих флюса) из паяльной пасты. Если вы используете при работе свинцовые паяльные пасты, то предварительный нагрев должен осуществляться до температуры 95-130°С. При этом скорость повышения температуры для ступенчатого температурного профиля должна составлять 2-4°С/сек, а для линейного температурного профиля – 0,5-1,3°С/сек.

Температурное выравнивание

Этот этап ещё часто называют температурной стабилизацией или просто стабилизацией. Он нужен для того, чтобы активировать флюс и испарение компонентов, входящих в состав паяльной пасты. Повышать температуру нужно предельно плавно и медленно. На данной стадии все компоненты должны нагреваться до одинаковой температуры, чтобы не произошло повреждение элементов от теплового удара. Пиковая активация флюса происходит в тот момент, когда температура достигает 150°С, поэтому рекомендуется соблюдать температурный диапазон в 150-170°С. Стабилизация температур для ступенчатого температурного профиля должна происходить за 90-150 секунд. Что же касается линейного профиля, то здесь считается достаточным временной диапазон в полминуты.

Процесс пайки (оплавления)

На этом этапе температуру в печи повышают до момента, когда припой пасты начинает плавиться и формировать паяное соединение между платой и компонентами. Для того чтобы соединение получилось надёжным и прочным, максимальная температура пайки должна превышать примерно на 30-40 градусов точку плавления паяльной пасты (в итоге она должна составлять примерно 205-225 градусов на плате в точке пайки). При этом временной отрезок, в течение которого печатная плата находится выше точки плавления (179-183 градуса), не должен превышать 90 секунд. В идеале он должен составлять около минуты. Кроме того, скорость повышения температурного уровня в области проводимого оплавления должна составлять примерно 2-4°С/сек.

Охлаждение изделия

Прочность и надёжность спайки определяется не только соблюдением правил оплавления и повышения температур во время обработки паяльной пасты, но и тем, насколько грамотно изделие было охлаждено в конце работы. Скорость охлаждения должна стремиться к максимально возможной. Специалисты рекомендуют сохранять её в пределах 3-4°С/сек. При этом температура должна опуститься ниже 130°С. Лучше всего если температурный уровень опустится приблизительно до 100°С.

Возможные дефекты

При несоблюдении правил проведения операции или при использовании некачественных компонентов могут возникать дефекты пайки. Среди наиболее часто встречающихся дефектов выделяют:

• плохое смачивание;
• образование перемычек при расползании пасты;
• дефект «надгробного камня»;
• образование шариков припоя;
• «холодная пайка»;
• капиллярное затекание припоя;
• появление трещин у компонента;
• образование свищей и пустот;
• деформация паяных соединений;
• отсутствие нормального контакта.

Перечисленные дефекты являются лишь самыми распространёнными, при несоблюдении технологии пайки оплавлением в печи могут появляться и другие проблемы. Поэтому теоретическая информация, конечно, важна, но её недостаточно для грамотного проведения операции. Нужно учитывать и другие нюансы, в числе которых, например, параметры самой печатной платы, количество узлов, технические характеристики электронных компонентов, тип пасты (припоя), который вы используете и многое-многое другое.