Технологии в электронной промышленности №1'2008

Оптимизация температурного профиля пайки печатных плат оплавлением

Максим Шмаков

Александр Тиханкин


В статье описываются исходные данные для теоретического построения температурного профиля пайки оплавлением исходя из основных влияющих факторов.

Оплавление паяльной пасты является основным методом формирования паяных соединений при сборке печатных узлов (ПУ) по технологии поверхностного монтажа. При правильном применении пайка оплавлением обеспечивает высокий выход годной продукции, ее высокую надежность и низкую себестоимость. Среди всех условий данного процесса температурный профиль пайки — один из наиболее важных моментов, определяющий уровень дефектов при пайке [1].

Основными факторами, влияющими на формирование температурного профиля пайки оплавлением, являются (рис. 1):

  • компоненты;
  • печатные платы (ПП);
  • паяльная паста;
  • оборудование.
Основные факторы, влияющие на формирование температурного профиля пайки оплавлением

Рассмотрим два типа температурного профиля (рис. 2):

  • традиционный (полочный);
  • новый (линейный).
Традиционный (синий) и линейный (красный) температурные профили

Температурный профиль пайки можно разделить на четыре основные стадии:

  1. предварительный нагрев;
  2. стабилизация (зона температурного выравнивания);
  3. оплавление;
  4. охлаждение.

Каждая из которых оказывает свое влияние на результаты пайки.

Стадия предварительного нагрева

Данный этап позволяет снизить тепловой удар на электронные компоненты и печатные платы (ПП). В процессе предварительного нагрева происходит испарение растворителя из паяльной пасты.

При использовании паяльных паст для «свинцовой» технологии (на основе сплавов Sn62/Pb36/Ag2 и Sn63/Pb37) предварительный нагрев рекомендуется осуществлять до температуры 95–130 °С, скорость повышения температуры для традиционного профиля 2–4 °С/с, для нового — 0,5–1 °С/с.

Примечание. Завышение скорости предварительного нагрева может приводить к преждевременному испарению растворителя, содержащегося в паяльной пасте.

Стадия стабилизации

Стадия стабилизации позволяет активизировать флюсующую составляющую и удалить избыток влаги из паяльной пасты. Повышение температуры на этой стадии происходит очень медленно. Стадию стабилизации также называют стадией температурного выравнивания, так как эта стадия должна обеспечивать нагрев всех компонентов на плате до одинаковой температуры, что предотвращает повреждение компонентов за счет теплового удара.

Максимальная активация флюса происходит при температуре около 150 °С. Рекомендуемое время стабилизации для традиционного профиля составляет 90–150 с. В новом профиле время стабилизации 30 с считается достаточным. В конце зоны стабилизации температура обычно достигает 150–170 °С.

Примечание. Сокращение времени стабилизации может приводить к дефектам типа «холодная пайка» и эффекту «надгробного камня».

Стадия оплавления

На стадии оплавления температура повышается до расплавления припоя пасты и происходит формирование паяного соединения.

Для образования надежного паяного соединения максимальная температура пайки должна на 30–40 °С превышать точку плавления паяльной пасты и составлять 205–225 °С (на плате). Время, в течение которого печатная плата находится выше точки плавления (179–183 °С), должно быть в пределах 30–90 с, предпочтительно не более 60 с. Скорость повышения температуры в зоне оплавления должна составлять 2–4 °С/с.

Примечание. Низкая температура пайки обеспечивает слабую смачиваемость, особенно для компонентов с плохой паяемостью.

Стадия охлаждения

Для обеспечения максимальной прочности паяных соединений скорость охлаждения должна стремиться к максимально допустимой. Рекомендуемая скорость охлаждения 3–4 °С/с до температуры ниже 130 °С [2].

Примечание. Завышение скорости принудительного охлаждения может приводить к возникновению больших внутренних напряжений в печатной плате из-за различного коэффициента теплового расширения базового материала печатных плат, корпусов компонентов, металлических печатных проводников и металлизированных отверстий.

По результатами экспериментальных паек для разработки температурного профиля следует учитывать, что реальная температура на плате в ходе выполнения стадий процесса пайки будет на 10–20 °С ниже при применении инфракрасных систем нагрева и на 20–30 °С ниже установленной в печи конвекционного оплавления.

Отклонение от допустимых параметров может приводить к образованию дефектов:

  • плохое смачивание;
  • расползание пасты и образование перемычек;
  • эффект «надгробного камня» и «холодная пайка»;
  • образование бусинок припоя;
  • капиллярное затекание припоя;
  • растрескивание компонента, а также отслоение припоя или контактной площадки из-за внутренних напряжений;
  • образование пустот;
  • деформация паяных соединений;
  • отсутствие контакта.

На рис. 3 показан классификационный температурный профиль, рекомендуемый стандартом IPC/JEDEC J-STD-020C.

Классификационный температурный профиль, рекомендуемый стандартом IPC/JEDEC J-STD-020C

В таблице 1 приведены параметры классификационного профиля, рекомендуемые стандартом IPC/JEDEC J-STD-020C.

Таблица 1. Параметры классификационного профиля, рекомендуемые стандартом IPC/JEDEC J-STD-020C
Параметры классификационного профиля, рекомендуемые стандартом IPC/JEDEC J-STD-020C

При переходе на бессвинцовую технологию необходимо уделять внимание: температурам стеклования печатных плат Тg и их короблению; максимально допустимым температурам ТP и градиентам температур [gradient (K/sec)] для компонентов; а также разбросу температур в рабочей зоне ΔТ, результатом чего является более узкое технологическое окно процесса.

Таблица 2. Максимальная температура оплавления TP, рекомендуемая стандартом IPC/JEDEC J-STD-020C для припоев,содержащих свинец
Максимальная температура оплавления TP, рекомендуемая стандартом IPC/JEDEC J-STD-020C для припоев, содержащих свинец
Таблица 3. Максимальная температура оплавления TP, рекомендуемая стандартом IPC/JEDEC J-STD-020C для бессвинцовых припоев
Максимальная температура оплавления TP, рекомендуемая стандартом IPC/JEDEC J-STD-020C для бессвинцовых припоев

В таблице 4 для примера приведены параметры температурного профиля, рекомендуемые некоторыми производителями компонентов, выполненных для бессвинцовой технологии [3].

Таблица 4. Параметры температурного профиля, рекомендуемые производителями электронных компонентов
Параметры температурного профиля, рекомендуемые производителями электронных компонентов

Следовательно, минимальная температура, необходимая для образования интерметаллического соединения, при использовании бессвинцовых припоев увеличивается до 235–260 °С. По существу, это означает общее повышение температуры в рабочей зоне на 30–40 °С.

В таблице 5 перечислены основные типы дефектов, относящихся к пайке, механизмы образования этих дефектов и требуемые характеристики температурного профиля [1].

Таблица 5. Требуемые характеристики температурного профиля для минимизации дефектов
Требуемые характеристики температурного профиля для минимизации дефектов

Как видно из таблицы 5, доминирующая тенденция, приводящая к образованию дефектов, — это медленное или слишком быстрое нарастание температуры на стадии предварительного подогрева, низкая максимальная температура и быстрое охлаждение.

Заключение

Теоретическое построение профиля пайки является лишь исходной информацией для его создания. Но, несмотря на все выше сказанное, окончательная корректировка температурного профиля производится технологом исходя из конструкции печатной платы; количества, типа и размеров компонентов; типа используемой паяльной пасты; особенностей используемого оборудования, а также результатов экспериментальных паек для каждого ПУ.

Литература

  1. Ли Н.-Ч. Технология пайки оплавлением, поиск и устранение дефектов: поверхностный монтаж, BGA, CSP и Flip-Chip технологии. М.: ИД «Технологии», 2006.
  2. Семинар «Введение в технологию поверхностного монтажа», ЗАО «Предприятие ОСТЕК». М., 2006.
  3. Семинар «Проблема бессвинцовых технологий производства электроники», ИД «Технологии». М., 2007.
  4. IPC/JEDEC J-STD-020C Moisture/Reflow Sensitivity Classification for Non-hermetic Solid State Surface Mount Devices.

Другие статьи по этой теме


 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо