Температурный профиль конвекционной пайки. Что это такое?

№ 2’2009
PDF версия
Нельзя согласиться с анализом литературных источников, проведенным в работе, согласно которому в настоящее время отсутствуют научно-обоснованные рекомендации по режимам пайки электронных приборов. Видимо, этот анализ основан на информации от авторов, занимающихся пайкой факультативно: по роду коммерческой деятельности или в свободное от основной работы время. Статья посвящена вопросу температурного профиля конвекционной пайки.

Александр Парфенов

Все режимы давно известны из материалов, опубликованных в бытность реальной деятельности зеленоградского ЦБ ПИМС и питерского
«Авангарда», (предельно допустимые параметры пайки), а относительно научно-обоснованной технологии пайки различных материалов или покрытий—
из результатов фундаментальных исследований, например [2], которые легли в основу создания типовых технологических процессов, выпущенных тем
же «Авангардом» и его львовским филиалом. Интерпретировать эти данные под современную элементную базу ПМИ и ЭРИ не составляет никакого труда.

Что же касается профиля конвекционной пайки,
то тезис дальнейшего развития научного направления по обеспечению ее режимов, в целом, лишен всякого практического смысла. Так как химический состав используемых в основном зарубежных флюсов
и паяльных паст, а также других сопутствующих технологических материалов в аспекте их комплексной
совместимости неизвестен по причине их «ноу-хау»,
и развивать подобные направления сегодня методом
«научного тыка», по меньшей мере, неприлично. Тогда какие могут быть вопросы с «формированием»?
Выполняйте то, что написано изготовителем этих
материалов, не забыв утвердить техпроцесс у руководителя предприятия и памятуя о том, что зарубежные стандарты не имеют прав гражданства в России.

А что же делать в случае обнаружения несоответствий? Это известно только руководителю предприятия, поскольку при выставлении любых рекламаций
окажется, что любое отечественное производство, организованное собственными силами, не соответствует никаким международным стандартам, а его аттестация по единственному переведенному на русский
и переутвержденному стандарту ГОСТ Р ИСО-9002—
такая же «липа», только финансово-юридическая.
Кому же тогда предъявлять претензии?

Тем не менее, нужно как-то работать, а для этого
надо хотя бы правильно понимать, что же это за зверь
такой—температурный профиль и о чем идет речь
в литературе. Видимо, о чем-то другом? Читаем рекомендации «ОСТЕК», например, по применению
водосмываемых паст: «… Если температура предварительного подогрева превышает 150 °C или время
выдержки более единиц нс, то остатки флюса невозможно удалить без применения дополнительных детергентов». Каких, правда, неизвестно; однако при
этом сама идея водосмываемости просто теряет практический смысл! Если, конечно, опустить проблемы
экологии и пожароопасности, технология промывки
с детергентами не увеличит серьезно трудоемкость
и не изменит структуру технологического цикла.
Но вот при использовании неудаляемых композиций — дело гораздо сложнее. Такие композиции помимо растворителя содержат тиксотропные добавки
и стабилизаторы дисперсности, поддерживающие некое квазитекучее состояние пасты, необходимое для
ее нанесения. В процессе нагрева необходимо не только испарить растворитель, но, возможно, и эти добавки, чтобы пошла реакция поликонденсации остатков
(реже — радикальная полимеризация). В противном
случае остатки останутся гидрофильными, не способными к сополимеризации с лаками, адгезивами и т. п.,
и их гидролиз во влажной атмосфере приведет к самым неожиданным последствиям в самом непредвиденном месте… (И все предприятия теперь усиленно
моют платы с «неудаляемыми остатками».)

Так вот, термопрофиль — это далеко не только температурно-временной режим нагрева при пайке [3],
но и режим химико-технологической обработки технологических материалов для придания им специфических свойств! Однако начнем с режимов нагрева и охлаждения. Существуют три разновидности нагрева при пайке: стационарный, квазистационарный
и нестационарный. Первый — это помещение детали в предварительно разогретую камерную печь, температура нагрева которой находится в состоянии термического равновесия, а объем детали в 1000 раз меньше объема камеры печи. При этом выполняется
известный эмпирический закон термообработки: деталь принимает температуру печи из расчета 2 мин
на 1 мм толщины материала. Но с одной поправкой:
например, температура жала паяльника, нагретого в режиме теплового баланса, скажем,
до температуры З00 °С, после первой же пайки
упадет примерно на 20 °С и до конца работы не
вернется к исходной, поскольку по статистическим данным Л. Д. Ландау [4] время пребывания в состоянии равновесия значительно больше времени релаксации, и макроскопические
величины с большой относительной точностью равны своим средним значениям. Подобные отклонения (флуктуации), соответствующие гауссовскому распределению, определяют опытным путем, как правило, для наиболее
массивной «подсистемы» (ПМИ, ЭРИ) в «системе» (плата в сборе). И нет никакой необходимости [3] контролировать температуру в различных точках системы (платы), если известно тепловое поле, или нагрев производится
в аэродинамической печи (с принудительной
вентиляцией), в которой темп нагрева принимается 1,5 мин на 1 мм толщины материала.

Учитывая то, что пайка осуществляется по
поверхности, можно пренебречь неким градиентом температуры по толщине: тогда суммарное время пайки по трем зонам печи, например, по нагреву ПМ-трансформатора при
максимальном локальном теплосъеме его сердечника толщиной 5 мм, длительность нагрева в 10 мин можно уменьшить вдвое до 5 мин,
что фактически соответствует рекомендованной в литературе длительности процесса оплавления.

Температура пайки определяется исходя из
оптимальных условий формирования паяного соединения [5], при которых скорость вязкого течения припоя больше скорости поверхностной диффузии. Экспериментально установлено, что температура пайки для этого
условия должна быть выше температуры плавления припоя на 50…100 °С. Отсюда ясно, что
пайка бессвинцовыми припоями при температуре ниже 280 °С не гарантирует надлежащего качества, даже с так называемыми слабоактивированными флюсами (это, строго говоря, их расхожая и принципиально неверная
формулировка). Приговор окончательный
и обжалованию не подлежит! Причем не только с позиции формирования соединений,
но и с позиции стойкости диэлектрика, адгезии солдермаски, снижения сопротивления
изоляции по причине пиролиза канифоли или
дигидроабиетиновой кислоты (это модификация канифоли), а также возможности непредсказуемых химических реакций композиции пасты, вероятность которых на каждые
10 °С возрастает в 100 раз (по Аррениусу).

Длительность нагрева в общем смысле определяется скоростью набора и снижения температуры с позиции минимального роста напряжений растяжения для разнородных материалов, поскольку стандартные ПМИ являются
некими квазикомпозитными материалами.
Экспериментально установленная для таких
материалов оптимальная скорость набора температуры — не более 2 °С/с. Скорость охлаждения — не более 0,8–1,2 °С/с до 50 °С. Для оптимального профиля наклон его линий нагрева и охлаждения будет принципиально отличен
от приведенного графика в [3]. При времени
выдержки 30 с и температуре оплавления
230 °С (минимальная температура качественной пайки с неактивированными неудаляемыми флюсами) общее время экспозиции составит 4,5 мин. Отсюда выбирается скорость конвейера, количество и мощность вентиляторов
охлаждения. Затем проводится точная «юстировка» режима по температуре и времени
предварительного подогрева. Для этого надо
знать температуру испарения/кипения растворителя (она обычно от 90 до 150 °С) и температуру активации возможных радикальных реакций исходя из химических формул компонентов органики: для того чтобы установить
температуру подогрева ниже температуры активации на 30–50 °С. Время выдержки при температуре подогрева при известном типовом
количестве связующего в максимальном локальном объеме пасты — не менее 15 с.

Квазистационарная разновидность нагрева
реализуется при ограничении установленной
температуры печи или ее зон регулирующими и регистрирующими приборами. Реальные отклонения (статистические флуктуации)
температурного поля при этом в 2–3 раза выше, что требует специальной регулировки
и контроля (разумеется, если известны параметры химических реакций, интервал активности флюса, порог пиролиза органики и т. д.)

Нестационарный нагрев реализуется при использовании концентрированных источников
нагрева — светового, инфракрасного и лазерного. В этом случае основное значение имеет
«время пребывания», поскольку температура
тела во времени имеет тенденцию к неограниченному росту, и указанные в предыдущем абзаце параметры играют самую существенную
роль. Естественно, при этом существенно усложняется и ограничивается возможность регулирования параметров процесса нагрева, а по
существу требуются и специальные источники с определенной длиной волны из-за различия теплофизических свойств материалов
и т. п. [6].

Строго говоря, указанные «юстировочные»
параметры определяют методом статистической вероятности флуктуаций, а никак не методом планирования эксперимента. Используют формулу распределения Гаусса для одной
критической или 2–3 согласующихся величин,
учитывая только энтропийный фактор вероятности и принцип Ле-Шателье. В самом деле,
любое внешнее воздействие на тело, выводящее его из равновесия, стимулирует в нем процессы, стремящиеся ослабить это воздействие.
Например, испарение растворителя снижает
температуру тела, поэтому график изменения
температуры предварительного подогрева должен идти с небольшим подъемом в сторону
увеличения температуры. Следует заметить,
что фактический подъем температуры подогрева на многих опубликованных графиках получен «случайно», в типичном режиме квазистационарности и поэтому никак не объясняется. Точно так же в процессе охлаждения
системы более теплоемкие подсистемы поддерживают температуру менее теплоемких, что
дает возможность увеличить скорость охлаждения и т. п. Разумеется, повторяя сказанное,
подобные юстировки только тогда дают максимальный технологический эффект, если известны вероятные химические реакции, интервалы активности, пороги пиролиза и некоторые другие физико-химические константы.
В противном случае все манипуляции с печью
конвекционной пайки — никакое не формирование профиля, а обычное выставление рекомендованных изготовителем параметров,
которое не представляет особого труда!

Литература

  1. Штенников В. К вопросу формирования
    температурного профиля конвекционной
    пайки // Технологии в электронной промышленности. 2008. № 6.
  2. Парфенов А. Исследование кинетики взаимодействия меди, никеля, серебра, золота,
    палладия и родия с оловянно-свинцовыми
    припоями. Диссертация на звание к. т. н.
    МАТИ, 1973.
  3. Рогачев А. Средства построения термопрофиля пайки печатных плат компании ЕСD //
    Технологии в электронной промышленности. 2008. № 6.
  4. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. М.: Наука, 1964.
  5. Парфенов А. Введение в теорию прочности
    паяных соединений // Технологии в электронной промышленности. 2008. № 2, 3.
  6. Кудрявцев В. Исследование способов и разработка технологических процессов, обеспечивающих паяемость металлизированных
    покрытий и групповую пайку контактных
    элементов на печатных платах. Диссертация
    на звание к. т. н. МАТИ, 1981.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *