Электрондық компоненттерді қайта тоқтату жүйесі

Кіріспе

Электрондық компоненттерді орнату

Қайта құюмен дәнекерлеу – бұл пісіру пастасын (ұнтақталған қорытпа мен флюстің жабысқақ қоспасы) пайдаланып, бірден мыңға дейін ұсақ электрлік компоненттерді олардың контактілік жастықтарына уақытша бекіту процесі, содан кейін бүкіл жиынтық бақыланатын жылуға ұшыратылады. Пісіру пастасы балқыған күйде қайта ағып, тұрақты дәнекерлеу тігістерін жасайды. Жылытуды қайта құю пеші арқылы өткізу, инфрақызыл шамның астында немесе (көбінесе прототиптеу үшін) жеке тігістерді ыстық ауа қарындашымен дәнекерлеу арқылы жүзеге асыруға болады. Ұзын өндірістік конвекциялық пештердегі қайта құюмен дәнекерлеу – баспалы схемалық тақтаға (PCB) беткі монтаждау технологиясының (SMT) компоненттерін дәнекерлеудің басым әдісі. Пештің әрбір сегменті әр жиынтықтың нақты жылу талаптарына сәйкес реттелетін температураға ие. Жүктелетін компоненттерді арнайы дәнекерлеуге арналған қайта құю пештерін тесікті компоненттер үшін де қолдануға болады, тесіктерді пісіру пастасымен толтырып, компоненттердің қосымшаларын паста арқылы енгізу арқылы. Дегенмен, толқынды дәнекерлеу – көп қосымшалы тесікті компоненттерді беткі монтаждау компоненттеріне арналған схемалық тақтаға дәнекерлеудің кең таралған әдісі. SMT және тесікті (PTH) компоненттердің қосылысы бар тақталарда қолданылған кезде, егер арнайы түзетілген пасталы қалыптармен қол жеткізілсе, тесікті қайта құю толқынды дәнекерлеу қадамын құрастыру процесінен жоюға мүмкіндік береді, бұл құрастыру шығындарын азайтуға мүмкіндік береді. Бұрын қолданылған қорғасын-қалай қорытпалары туралы мұндай айтуға болады, бірақ SAC сияқты қорғасынсыз қорытпалар пеш температурасының профилін реттеудің шектері және арнайы тесікті компоненттердің талаптары тұрғысынан қиындықтар тудырады, оларды дәнекерлеу сымымен қолмен дәнекерлеу керек немесе қайта құю пешінің конвейерінде қозғалғанда схемалық тақталарға бағытталған жоғары температураға төтеп бере алмайды. Конвекциялық пеш процесінде пісіру пастасын пайдалана отырып, тесікті компоненттерді қайта құюмен дәнекерлеу – енгізілетін дәнекерлеу деп аталады. Қайта құю процесінің мақсаты – пісіру пастасының эвтектикалық температураға жетуі, онда дәнекерлеу қорытпасы сұйық немесе балқыған күйге фазалық өзгеріске ұшырайды. Осы температуралық диапазонда балқытылған қорытпа жабысу қасиеттерін көрсетеді. Балқытылған дәнекерлеу қорытпасы су сияқты әрекет етеді, үйлесімділік және жабысу қасиеттеріне ие. Ағын жеткілікті болғанда, сұйық күйдегі дәнекерлеу қорытпалары "ылғалдану" деп аталатын қасиетті көрсетеді. Ылғалдану – қорытпаның өзінің эвтектикалық температуралық диапазонында болатын қасиеті. Ылғалдану – дәнекерлеу тігістерін қалыпқа келтіру үшін қажетті шарт, ал "сәйкес емес" IPC бойынша ақаулы деп есептеледі. Қайта құю пешінің температуралық профилі белгілі бір схемалық тақта жиналымының сипаттамаларына, тақтадағы жер тегіс қабатының көлемі мен тереңдігіне, тақтадағы қабаттардың санына, компоненттердің саны мен мөлшеріне сәйкес келеді. Белгілі бір схемалық тақтаның температуралық профилі электрлік компоненттерді қатты қыздырмай және олардың температуралық төзімділігінен асырмай, жалғаудың іргелес беттеріне қайта ағылуына мүмкіндік береді. Конвенциялық қайта құюмен дәнекерлеу процесінде әдетте төрт кезең болады, олар "аймақтар" деп аталады, олардың әрқайсысының ерекше жылулық профилі бар: алдын ала қыздыру, жылулық сіңіру (көбінесе сіңіру деп қысқартылады), қайта құю және салқындату.

Reflow soldering is a process in which a solder paste (a sticky mixture of powdered solder and flux) is used to temporarily attach anywhere from one to thousands of tiny electrical components to their contact pads, after which the entire assembly is subjected to controlled heat. The solder paste reflows in a molten state, creating permanent solder joints. Heating may be accomplished by passing the assembly through a reflow oven, under an infrared lamp, or (mainly for prototyping) by soldering individual joints with a hot air pencil. Reflow soldering with long industrial convection ovens is the preferred method of soldering surface mount technology (SMT) components to a printed circuit board (PCB). Each segment of the oven has a regulated temperature, according to the specific thermal requirements of each assembly. Reflow ovens meant specifically for the soldering of surface mount components may also be used for through hole components by filling the holes with solder paste and inserting the component leads through the paste. Wave soldering however, has been the common method of soldering multi leaded through hole components onto a circuit board designed for surface mount components. When used on boards containing a mix of SMT and plated through hole (PTH) components, through hole reflow, when achievable by specifically modified paste stencils, may allow for the wave soldering step to be eliminated from the assembly process, potentially reducing assembly costs. While this may be said of lead tin solder pastes used previously, lead free solder alloys such as SAC present a challenge in terms of the limits of oven temperature profile adjustment and requirements of specialized through hole components that must be hand soldered with solder wire or cannot reasonably withstand the high temperatures directed at circuit boards as they travel on the conveyor of the reflow oven. The reflow soldering of through hole components using solder paste in a convection oven process is called intrusive soldering. The goal of the reflow process is for the solder paste to reach the eutectic temperature at which the particular solder alloy undergoes a phase change to a liquid or molten state. At this specific temperature range, the molten alloy demonstrates properties of adhesion. Molten solder alloy behaves much as water, with properties of cohesion and adhesion. With sufficient flux, in the state of liquidus, molten solder alloys will exhibit a characteristic called "wetting." Wetting is a property of the alloy when within its specific eutectic temperature range. Wetting is a necessary condition for the formation of solder joints that meet the criteria as "acceptable" or "target" conditions, while "non conforming" is considered defective according to IPC. The reflow oven temperature profile is suited for characteristics of a particular circuit board assembly, the size and depth of the ground plane layer within the board, the number of layers within the board, the number and size of the components, for example. The temperature profile for a particular circuit board will allow for reflow of solder onto the adjoining surfaces, without overheating and damaging the electrical components beyond their temperature tolerance. In the conventional reflow soldering process, there are usually four stages, called "zones", each having a distinct thermal profile: preheat, thermal soak (often shortened to just soak), reflow, and cooling.

Алдын ала қыздыру аймағы

Алдын ала қыздыру – қайта ағу процесінің бірінші кезеңі. Бұл қайта ағу кезеңіндегі толық плата жинағы мақсатты сіңіру немесе тұрақтандыру температурасына қарай көтеріледі. Алдын ала қыздыру кезеңінің басты мақсаты – толық жинақты қауіпсіз және тұрақты түрде сіңіру немесе қайта ағу температурасына жеткізу. Алдын ала қыздыру, сонымен қатар, дәнекерлеу пастасындағы ұшпалы еріткіштердің булануына мүмкіндік береді. Паста еріткіштерінің тиімді булануы және жинақтың қайта ағу температурасына қауіпсіз жетуі үшін басылған тізбек платасы (ПКБ) бірқалыпты және сызықты түрде қыздырылуы керек. Қайта ағу процесінің бірінші кезеңіндегі маңызды көрсеткіш – температураның өсу жылдамдығы немесе уақытқа қатысты өсуі. Бұл көбінесе секундына градус Цельсий (°C/с) бірлігімен өлшенеді. Өндірушінің мақсатты өсу жылдамдығына көптеген факторлар әсер етеді. Оларға: мақсатты өңдеу уақыты, дәнекерлеу пастасының ұшпалылығы және компоненттерге қойылатын талаптар жатады. Бұл процестік айнымалылардың барлығын ескеру маңызды, бірақ көп жағдайда сезімтал компоненттерге қатысты мәселелер басты орынды иеленеді. "Көптеген компоненттер температурасы тым жылдам өзгерсе жарылуы мүмкін. Ең сезімтал компоненттердің көтере алатын максималды температуралық өзгеріс деңгейі – рұқсат етілген максималды өсу жылдамдығы болады". Алайда, егер термиялық сезімтал компоненттер қолданылмаса және өнімділікті арттыру маңызды болса, өңдеу уақытын жақсарту үшін күшті өсу жылдамдықтары қолданылуы мүмкін. Осы себепті көптеген өндірушілер осы жылдамдықтарды 3,0 °C/с ең жоғары рұқсат етілген орташа деңгейге дейін көтереді. Керісінше, егер әсіресе күшті еріткіштер бар дәнекерлеу пастасы қолданылса, жинақты тым жылдам қыздыру процесті бақылаудан шығаруы мүмкін. Ұшпалы еріткіштер булана бастағанда, олар дәнекерлеуді жапсырмалардан және платадан шашыратуы мүмкін. Алдын ала қыздыру кезеңіндегі күшті буланудың басты салдары – дәнекерлеудің домалануы. Плата алдын ала қыздыру кезеңінде белгілі бір температураға жеткеннен кейін, сіңіру немесе қайта ағу кезеңіне өтуге болады.

Термиялық сіңіру аймағы

Екінші бөлім, термиялық сіңіру, әдетте 60-120 секундтық уақыт аралығында жүзеге асырылады. Оның мақсаты – дәнекерлеу пастасының ұшқыш заттарын жою және ағындарды белсендіру. Ағын компоненттері осы кезеңде компоненттердің қосылғыштары мен контактілік жастықшаларындағы оксидтерді тотықтыру процесін бастайды. Тым жоғары температура дәнекерлеудің шашырауына немесе домалануына, сондай-ақ пастаның, бекіту жастықшаларының және компоненттердің қосылғыштарының тотығуына әкелуі мүмкін. Ал температура тым төмен болса, ағындар толыққанды белсендірілмей қалуы мүмкін. Сіңіру аймағының соңында, қайта ағу аймағына өту алдында, жиналымның барлық бөліктерінде жылулық тепе-теңдікке қол жеткізу қажет. Әртүрлі өлшемдегі компоненттердің арасындағы температура айырмасын (дельта T) азайту үшін немесе егер басылған плата жиналымы өте үлкен болса, сіңіру профилін қолдану ұсынылады. Сонымен қатар, аймақтық массивтік типтегі корпустарда көпіршіктердің пайда болуын азайту үшін де сіңіру профилін қолдануға кеңес беріледі.

Қайта ағу аймағы

Үшінші бөлім, қайта ағу аймағы, сонымен қатар "қайта ағудан жоғары уақыт" немесе "сұйықталу температурасынан жоғары температура" (TAL) деп аталады және бұл процесс бөлігінде ең жоғары температураға жетеді. Маңызды фактор – ең жоғары температура, ол бүкіл процесс үшін рұқсат етілген максималды температура. Көбінесе ең жоғары температура сұйықталу температурасынан 20–40 °C жоғары болады. Сұйықталу температурасынан жоғары уақыт (TAL) немесе қайта ағудан жоғары уақыт, дәнекерлеудің қанша уақыт сұйық күйде қалатынын өлшейді. Флюс металдардың қосылған жеріндегі беттік кернеуді азайта отырып, металлургиялық байланысты қамтамасыз етеді, бұл жеке дәнекерлеу ұнтағы шарларының бірігуіне мүмкіндік береді. Егер профиль уақыты өндірушінің талаптарын асып кетсе, флюс ерте активтенуі немесе тозуы мүмкін, нәтижесінде дәнекерлеу қосылысы түзілмес бұрын паста "құрғап" қалады. Уақыт пен температураның жеткіліксіз арақатынасы флюстің тазалау қабілетін төмендетеді, нашар ылғалдануға, еріткіш пен флюстің толық кетпеуіне және мүмкін ақаулы дәнекерлеу қосылыстарына әкеледі. Сарапшылар әдетте мүмкіндігінше ең қысқа TAL ұсынылады, бірақ көптеген пасталар кемінде 30 секундтық TAL талабын қояды, бірақ бұл нақты уақытқа нақты себеп жоқ сияқты. Мүмкін, басылған платада профильдеу кезінде өлшенбеген жерлер бар, сондықтан ең аз рұқсат етілген уақытты 30 секундқа орнату өлшенбеген аймақтың қайта ағудан қалу қаупін азайтады. Жоғары ең төменгі қайта ағу уақыты пеш температурасының өзгеруіне қарсы қауіпсіздік маржасын қамтамасыз етеді. Ылғалдану уақыты сұйықталу температурасынан жоғары 60 секундтан кем болуы тиіс. Сұйықталу температурасынан жоғары уақытты ұзарту артық металларалық өсуге әкелуі мүмкін, бұл қосылыстың сынғыш болуына себеп болады. Плата мен компоненттер де сұйықталу температурасынан жоғары ұзартылған температурада зақымдануы мүмкін, және көптеген компоненттердің белгілі бір максималды температураға қанша уақытқа дейін төзуге болатынына қатысты нақты уақыт шектеулері бар. Сұйықталу температурасынан жоғары уақыт жеткіліксіз болса, еріткіштер мен флюс тұтқындалып, суық немесе бүркек дәнекерлеу қосылыстары мен дәнекерлеу қуыстарын жасау қаупі туындайды.

The third section, the reflow zone, is also referred to as the "time above reflow" or "temperature above liquidus" (TAL), and is the part of the process where the maximum temperature is reached. An important consideration is peak temperature, which is the maximum allowable temperature of the entire process. A common peak temperature is 20–40 °C above liquidus. Time above liquidus (TAL), or time above reflow, measures how long the solder is a liquid. The flux reduces surface tension at the juncture of the metals to accomplish metallurgical bonding, allowing the individual solder powder spheres to combine. If the profile time exceeds the manufacturer's specification, the result may be premature flux activation or consumption, effectively "drying" the paste before formation of the solder joint. An insufficient time/temperature relationship causes a decrease in the flux's cleaning action, resulting in poor wetting, inadequate removal of the solvent and flux, and possibly defective solder joints. Experts usually recommend the shortest TAL possible, however, most pastes specify a minimum TAL of 30 seconds, although there appears to be no clear reason for that specific time. One possibility is that there are places on the PCB that are not measured during profiling, and therefore, setting the minimum allowable time to 30 seconds reduces the chances of an unmeasured area not reflowing. A high minimum reflow time also provides a margin of safety against oven temperature changes. The wetting time ideally stays below 60 seconds above liquidus. Additional time above liquidus may cause excessive intermetallic growth, which can lead to joint brittleness. The board and components may also be damaged at extended temperature over liquidus, and most components have a well defined time limit for how long they may be exposed to temperatures over a given maximum. Too little time above liquidus may trap solvents and flux and create the potential for cold or dull joints as well as solder voids.

Салқындату аймағы

Соңғы аймақ – өңделген тақтаны біртіндеп суыту және қосымшаларды бекіту үшін салқындату аймағы. Тиісті салқындату металларалық қосылыстардың артық пайда болуын немесе компоненттерге жылулық соққыны тигізуін болдырмайды. Салқындату аймағындағы температура әдетте 30–110 °C (86–230 °F) аралығында болады. Механикалық тұрғыдан ең сенімді ұсақ дән құрылымын жасау үшін жылдам салқындату жылдамдығы таңдалады. Қазіргі заманғы бағдарламалық құралдар профильді тіркеуге және математикалық модельдеу арқылы автоматты түрде оңтайландыруға мүмкіндік береді, бұл процестің ең жақсы параметрлерін анықтауға кеткен уақытты едәуір қысқартады.