Повторный припой: технология и особенности монтажа электронных компонентов.

Введение

Прикрепление электронных компонентов

Рефлюксная пайка – это процесс, в котором используется паяльная паста (вязкая смесь порошкового припоя и флюса) для временного крепления от одного до тысяч крошечных электронных компонентов к их контактным площадкам, после чего вся сборка подвергается контролируемому нагреву. Паяльная паста расплавляется, образуя постоянные паяные соединения. Нагрев может осуществляться путем пропускания сборки через рефлюксную печь, под инфракрасной лампой или (в основном для прототипирования) путем пайки отдельных соединений горячим воздушным паяльником. Рефлюксная пайка с использованием длинных промышленных конвекционных печей является предпочтительным методом пайки компонентов поверхностного монтажа (SMT) на печатную плату (PCB). Каждый сегмент печи имеет регулируемую температуру в соответствии с конкретными тепловыми требованиями каждой сборки. Рефлюксные печи, предназначенные специально для пайки поверхностных компонентов, также могут использоваться для компонентов с сквозными отверстиями, заполняя отверстия паяльной пастой и вставляя выводы компонентов в пасту. Однако волновая пайка остается распространенным методом пайки многовыводных компонентов с сквозными отверстиями на плату, предназначенную для поверхностного монтажа. При использовании на платах, содержащих смесь SMT и плакированных сквозных отверстий (PTH), рефлюксная пайка сквозных отверстий, когда это возможно с использованием специально модифицированных трафаретов для пасты, может позволить исключить этап волновой пайки из процесса сборки, потенциально снижая затраты. Хотя это применимо к ранее использовавшимся свинцово-оловянным паяльным пастам, бессвинцовые сплавы, такие как SAC, представляют собой проблему с точки зрения ограничений регулировки температурного профиля печи и требований к специализированным компонентам с сквозными отверстиями, которые необходимо паять вручную припоем или не могут выдержать высокие температуры, воздействующие на платы во время прохождения по конвейеру рефлюксной печи. Рефлюксная пайка компонентов с сквозными отверстиями с использованием паяльной пасты в конвекционной печи называется интрузивной пайкой. Цель рефлюксного процесса – довести паяльную пасту до эвтектической температуры, при которой конкретный сплав припоя претерпевает фазовый переход в жидкое или расплавленное состояние. В этом конкретном температурном диапазоне расплавленный сплав демонстрирует свойства адгезии. Расплавленный сплав припоя ведет себя подобно воде, обладая свойствами когезии и адгезии. При достаточном количестве флюса, в состоянии жидкого состояния, расплавленные сплавы припоя проявляют характеристику, называемую «смачиванием». Смачивание – это свойство сплава в пределах его специфического эвтектического температурного диапазона. Смачивание является необходимым условием для формирования паяных соединений, соответствующих критериям «приемлемых» или «целевых» условий, в то время как «несоответствующие» считаются дефектными согласно IPC. Температурный профиль рефлюксной печи подбирается в соответствии с характеристиками конкретной сборки платы, размером и глубиной земляного полигона внутри платы, количеством слоев в плате, количеством и размером компонентов и т.д. Температурный профиль для конкретной платы обеспечивает расплавление припоя на прилегающих поверхностях без перегрева и повреждения электронных компонентов за пределами их температурной устойчивости. В обычном процессе рефлюксной пайки обычно выделяют четыре стадии, называемые «зонами», каждая из которых имеет свой характерный тепловой профиль: предварительный нагрев, выдержка (часто сокращенно просто выдержка), рефлюкс и охлаждение.

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.

Зона предварительного нагрева

Предварительный нагрев – это первый этап процесса оплавления припоя. Во время этой фазы оплавления вся сборка платы поднимается к целевой температуре выдержки или отжига. Основная цель предварительного нагрева – безопасно и равномерно довести всю сборку до температуры выдержки или предварительного оплавления. Предварительный нагрев также предоставляет возможность для удаления летучих растворителей из паяльной пасты. Чтобы растворители в пасте правильно испарились, а сборка безопасно достигла температуры предварительного оплавления, печатная плата должна нагреваться последовательно и линейно. Важным показателем для первой фазы процесса оплавления является скорость изменения температуры во времени, или скорость нарастания температуры. Обычно она измеряется в градусах Цельсия в секунду, °C/s. На целевую скорость нарастания температуры производителя влияет множество факторов, включая целевое время обработки, летучесть паяльной пасты и особенности компонентов. Важно учитывать все эти параметры процесса, но в большинстве случаев приоритетными являются требования к чувствительным компонентам. "Многие компоненты могут треснуть, если их температура изменится слишком быстро. Максимальная скорость изменения температуры, которую могут выдержать наиболее чувствительные компоненты, определяет максимально допустимую скорость нарастания". Однако, если термически чувствительные компоненты не используются и важна максимальная производительность, можно использовать более агрессивные скорости нарастания для сокращения времени обработки. Поэтому многие производители увеличивают эти скорости до максимально допустимого значения в 3,0 °C/s. И наоборот, если используется паяльная паста с особенно сильными растворителями, слишком быстрый нагрев сборки может легко привести к неконтролируемому процессу. При испарении летучих растворителей они могут разбрызгивать припой с площадок на плату. Основной проблемой при интенсивном газовыделении на фазе предварительного нагрева является образование шариков припоя. После того, как плата нагрета до необходимой температуры на фазе предварительного нагрева, можно переходить к фазе выдержки или предварительного оплавления.

Термопоглощающая зона

Второй этап, термическое просачивание, обычно занимает от 60 до 120 секунд для удаления летучих веществ паяльной пасты и активации флюсов, когда компоненты флюса начинают восстановление оксидов на выводах и площадках компонентов. Слишком высокая температура может привести к разбрызгиванию припоя или образованию шариков, а также к окислению пасты, контактных площадок и выводов компонентов. Аналогично, флюсы могут не полностью активироваться при слишком низкой температуре. В конце зоны просачивания желательно достижение теплового равновесия всей сборки непосредственно перед зоной рефлоу. Профиль просачивания рекомендуется для уменьшения разницы температур (ΔT) между компонентами разных размеров или в случае крупногабаритных печатных плат. Также рекомендуется использовать профиль просачивания для снижения образования пустот в корпусах типа BGA.

Зона перетока

Третий раздел, зона рефлоу, также называется "время выдержки выше температуры плавления" или "температура выше ликвидуса" (TAL), и является частью процесса, где достигается максимальная температура. Важным параметром является пиковая температура, которая представляет собой максимально допустимую температуру всего процесса. Типичная пиковая температура составляет 20–40 °C выше ликвидуса. Время выдержки выше ликвидуса (TAL) или время выдержки выше рефлоу измеряет продолжительность, в течение которой припой находится в жидком состоянии. Флюс снижает поверхностное натяжение в месте соединения металлов, обеспечивая металлургическую связь и позволяя отдельным сферам порошка припоя сливаться вместе. Если время профилирования превышает спецификацию производителя, это может привести к преждевременной активации или расходу флюса, фактически "высушивая" пасту до формирования паяного соединения. Недостаточное соотношение времени и температуры приводит к снижению очищающей способности флюса, что вызывает плохое смачивание, неполное удаление растворителя и флюса, а также возможное образование дефектных паяных соединений. Эксперты обычно рекомендуют минимально возможное значение TAL, однако большинство паст указывают минимальный TAL в 30 секунд, хотя четких обоснований для этого конкретного времени, по-видимому, нет. Одна из гипотез заключается в том, что на печатной плате есть участки, которые не измеряются во время профилирования, и установка минимального допустимого времени в 30 секунд снижает вероятность того, что такой участок не будет должным образом прогрет. Высокое минимальное время рефлоу также обеспечивает запас прочности при колебаниях температуры печи. Время смачивания в идеале должно быть менее 60 секунд выше ликвидуса. Дополнительное время выдержки выше ликвидуса может вызвать чрезмерный рост интерметаллических соединений, что приведет к хрупкости соединения. Плата и компоненты также могут быть повреждены при длительном воздействии температуры выше ликвидуса, и большинство компонентов имеют четко определенное ограничение по времени воздействия температур выше заданного максимума. Слишком короткое время выдержки выше ликвидуса может привести к удержанию растворителей и флюса, а также к образованию холодных, тусклых соединений и пустот в припое.

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.

Зона охлаждения

Последняя зона – это зона охлаждения, предназначенная для постепенного охлаждения обработанной платы и затвердевания паяных соединений. Правильное охлаждение предотвращает избыточное образование интерметаллических соединений и термический удар компонентов. Типичные температуры в зоне охлаждения находятся в диапазоне от 30 до 110 °C (86–230 °F). Высокая скорость охлаждения выбирается для формирования мелкозернистой структуры, обладающей максимальной механической прочностью. Современные программные средства позволяют захватить профиль и затем автоматически оптимизировать его с помощью математического моделирования, что значительно сокращает время, необходимое для определения оптимальных параметров процесса.