Оптимизация профиля оплавления с помощью анализа возникающих дефектов. Часть 2

Первая часть статьи.

Оптимизированный профиль оплавления создается для улучшения результатов процесса пайки и основывается на анализе возникающих дефектов. В целом, для минимизации таких дефектов, как перемычки, «надгробные камни», шарики, брызги и вскрытия припоя, растрескивание и поломка компонентов, требуется медленная скорость нагрева. Сокращенное время выдержки снижает вероятность появления пустот и пор, участков с плохим смачиванием, шариков и вскрытий припоя. Уменьшение максимальной температуры нагрева позволяет избежать обугливания и расслоения печатной платы, образования лишних интерметаллических соединений и не смачиваемых припоем участков платы. Для этих же целей, а также для уменьшения размеров зерна можно использовать быстрое охлаждение платы. Однако медленное охлаждение платы сводит к минимуму возможность разъединения компонентов или контактных площадок и платы. Профиль оплавления предусматривает три основные стадии: этап нагревания, этап, сопровождающийся выдерживанием максимальной температуры, этап охлаждения. При этом каждый этап имеет свое влияние на результаты пайки. Во второй части статьи рассматриваются недостатки обычного профиля «из учебника», проводится сравнение оптимизированного профиля оплавления и обычного профиля, даются рекомендации, как оптимизировать профиль, если используются, например, низкотемпературные паяльные пасты или пасты с низкой стойкостью к окислению и т. д.

Оптимизация профиля оплавления

Основные требования к профилю

В таблице 1 перечислены основные типы дефектов, возникающие из-за некорректного теплового воздействия при оплавлении, механизмы их возникновения, приведены рекомендации, которые помогут избежать появления данных дефектов.

• — медленно;    • • — быстро

Составление оптимизированного профиля

Необходимые изменения профиля тоже приведены в таблице 1. Основная идея такова: медленный подъем температуры до уменьшенной максимальной температуры, а затем быстрое охлаждение. К температурным изменениям нужно добавить регулирование времени. На рис. 1 представлен оптимизированный профиль, в котором температура растет медленно, скорость составляет 0,5–1 °C/с до тех пор, пока не достигнет значения +180 °C. Затем температура постепенно в течение 30 с повышается до +186 °C, далее температура быстро, со скоростью 2,5–3,5 °C/с, достигает +220 °C. После этого производится быстрое охлаждение, скорость уменьшения температуры не должна превышать 4 °C/с.

Рис. 1. Оптимизированный профиль оплавления, полученный с помощью анализа дефектов

Сравнение с обычными профилями

Обычные профили

Сравним оптимизированный профиль с обычным профилем «из учебника» (рис. 2). Обычный профиль состоит из быстрого подъема температуры в начале (в качестве предварительного нагрева) до значения +150…+160 °C, затем наступает область выравнивания (температура не меняется), которая длится около 2 мин (зона выдержки). Далее следует резкий скачок температуры до максимума, после чего производится относительно медленное охлаждение. Главное отличие между этими профилями охлаждения заключается в том, что обычный профиль имеет небольшое плато.

Рис. 2. Оптимизированный профиль и обычный профиль

Проблемы обычного профиля

Обычный профиль оплавления в первую очередь основан на ограничениях технологий оплавления, использовавшихся в прошлом. Раньше, перед тем как для пайки оплавлением стали применяться современные установки нагнетания воздуха, использовались инфракрасные печи оплавления. Хотя такие печи и обеспечивали относительно неплохие результаты, технология оплавления с помощью инфракрасного излучения имела несколько существенных ограничений и недостатков, например неравномерное распределение тепла по плате, чувствительность процесса нагрева к цвету и типу материала плат или применяемых компонентов, возникновение затенения мелких компонентов более крупными и т. д. В результате по всей плате наблюдался значительный температурный градиент. При линейной скорости нагрева, такой, как показано на рис. 1, температурный градиент может быть очень большим, и поэтому на поверхности платы могут одновременно возникать области с перегревом и холодные области, которые будут недооплавлены, либо будут оплавлены все области, но на плате появятся подгоревшие участки, как показано на рис. 3.

Рис. 3. Обычный температурный градиент, полученный при линейной скорости нагрева в инфракрасной печи оплавления

Решение проблемы

Для того чтобы уменьшить температурный градиент, после нагрева ввели область выдержки (плато), как показано на рис. 4. После того как температура выросла до величины плато, чуть ниже точки плавления припоя, это значение выдерживается пару минут, чтобы температура более холодных областей выравнялась с температурой более горячих областей. Затем, когда все части платы достигли нужной температуры, на следующей стадии температура нагрева платы повышается до максимума. После этого температурный градиент становится меньше.

Рис. 4. Температурный градиент при обычном профиле оплавления. Оплавление производится с помощью инфракрасной печи

Компромисс в обычных профилях

Быстрый рост температуры от комнатной до величины плато (чуть ниже точки плавления припоя) нежелателен, причины этого обсуждались выше. Однако без области равновесия плата столкнется с еще бóльшими проблемами: помимо появления дефектов, вызванных температурным градиентом, она может обуглиться или недооплавиться. Поэтому обычные профили с использованием плато обеспечивают результат лучше, чем профили без плато.

Предыдущие технологии оплавления

Процесс, выполняемый по оптимизированному профилю (рис. 1), требует применения технологии оплавления с очень эффективным нагревом и контролируемой скоростью изменения температуры. Технология конденсационной пайки оплавлением (пайка в паровой фазе) сопровождается быстрым нагревом, но не дает возможности контролировать его скорость. В результате возникает большое количество дефектов, вызванных значительным температурным градиентом, а значит, эта технология неэффективна. Технология пайки оплавлением с помощью инфракрасного нагрева позволяет регулировать скорость изменения температуры, поэтому более эффективна. Однако, как уже упоминалось, данная технология в большей степени чувствительна к выбору материалов плат и компонентов.

Технология оплавления с помощью принудительной конвекции

Технология пайки оплавлением, в которой нагрев производится с помощью нагнетания горячего воздуха, также имеет контролируемую скорость изменения температуры, но в отличие от технологии с инфракрасным нагревом у нее более эффективное нагревание, не зависящее от типа материала, цвета и теплоемкости используемых компонентов и самой платы. В результате температурный градиент меньше, и длительное выдерживание температуры в зоне выравнивания больше не требуется. А значит, может быть уменьшен размер плато и снижен изначально быстрый рост температуры.

Дефекты, которые возникают только при использовании обычного профиля

Обычный профиль можно разбить на следующие этапы:

1. быстрый нагрев на начальной стадии;
2. долгая, продолжительная выдержка около +150…+160 °C, соответственно, избыточный подвод тепла и окисление;
3. быстрый нагрев после достижения температуры плавления;
4. медленное охлаждение, а следовательно, опять-таки избыточный подвод тепла (рис. 5).

Рис. 5. Недостатки обычного профиля в сравнении с оптимизированным профилем

Типы дефектов, связанные с этими этапами, перечислены в таблице 2.

Обсуждение полученных результатов

Профиль, который рассматривается в данной статье, построен для эвтектической паяльной пасты на основе олова-свинца с использованием обычных систем флюсования. Необходимо подчеркнуть, что для паяльных паст с другими припоями или другими системами флюсования, имеющих бóльшие ограничения, результирующий оптимизированный профиль будет отличаться, несмотря на то, что механизмы образования дефектов те же и, соответственно, принципы оптимизации профиля аналогичны. Ниже будет приведено несколько примеров.

Профили для низкотемпературных паяльных паст

При использовании припоев с низкой температурой плавления, например Bi58Sn42 (температура плавления +138 °C), с низкотемпературным профилем оплавления, основной фактор, влияющий на образование дефектов, — это подвод тепла. В общем, чем выше температура и больше время выдерживания максимальной температуры, тем лучше результаты процесса оплавления. Это означает следующее:

1. при низкой температуре нагрева окисление не является проблемой;
2. большинство технологий флюсования разработано для паяльных паст с относительно высокими температурами активации.

Последний факт частично верен и для паяльных паст, не требующих очистки.

Поэтому при низких температурах в процессе оплавления в основном возникает плохое смачивание и образование шариков припоя, и соответственно, дополнительный подвод тепла становится наиболее важным параметром. В итоге оптимальный профиль для низкотемпературных паст может принять форму, показанную на рис. 6. Здесь температура быстро растет до максимума, затем удерживается на этом значении как можно дольше, после чего производится охлаждение.

Рис. 6. Профиль оплавления для низкотемпературных паяльных паст

Профили для высокотемпературных паяльных паст

Для паяльных паст с высокой температурой плавления, например Pb90Sn10 (температура плавления +275…+302 °C), самая главная проблема — обугливание остатков флюса. Таким образом, нужный профиль должен содержать минимальное время нахождения платы при максимальном значении температуры, чтобы избежать обугливания флюса. В результате оптимизированный профиль будет иметь более высокую скорость нагрева, чем профиль оплавления для эвтектических паст на основе Sn-Pb. Профиль для этого случая приведен на рис. 7.

Рис. 7. Пример профиля оплавления для высокотемпературных паяльных паст

Ограниченная стойкость к окислению

Некоторые паяльные пасты имеют очень небольшую стойкость к окислению. Например, большинство паяльных паст, не требующих отмывки и характеризующихся малым количеством остатков, принадлежат к данной категории [7]. Если перед плавлением припоя выдерживать их в воздухе дольше, чем нужно, то такие пасты могут даже никогда не оплавиться. Соответственно, оптимальный вариант для подобных паст — это укороченная длина профиля с линейным ростом нагрева до максимальной температуры, как показано на рис. 8. Такой профиль уменьшает вероятность возникновения окислов перед плавлением припоя. Устранение резкого скачка температуры приводит к тому, что плата дольше находится при температуре выше точки плавления, так как длина профиля постоянна. Перераспределение продолжительности воздействия температур в таких укороченных профилях позволяет снизить окисление и использовать другие достоинства медленной скорости нагрева.

Рис. 8. Профиль оплавления для паяльных паст с небольшой стойкостью к окислению

Системы с неравномерным распределением тепла

Для систем, в которых отдельные компоненты имеют большую теплоемкость, а также часто возникает неравномерное распределение тепла на поверхности платы, профиль оплавления должен быть удлинен. Для того чтобы достичь теплового равновесия, необходимо увеличить нагрев нижней стороны платы и удлинить зону выдержки при температуре выше температуры плавления припоя. Чтобы уменьшить формирование лишних интерметаллических соединений и избежать обугливания платы, максимальная температура должна быть значительно снижена (рис. 9).

Рис. 9. Профиль оплавления для систем с неравномерным распределением тепла

Оплавление в азоте

Возникновение эффекта окисления связано с тем, что процесс оплавления производится в воздухе и используется увеличенное время выдержки при температуре выше точки плавления. Когда оплавление выполняется в азоте, то эффект окисления минимален и может не приниматься во внимание.

Скорость подачи воздуха

Некоторые печи, где с помощью нагнетания воздуха происходит нагрев, для увеличения его эффективности действительно имеют очень большую скорость нагнетаемого воздушного потока. Это часто усиливает окисление, что приводит к плохому смачиванию и образованию шариков припоя. Если невозможно уменьшить скорость подачи воздуха, то для снижения вероятности появления подобных дефектов необходимо сократить время нагрева.

Корректировки оптимального профиля

Параметры оптимального профиля зависят от используемой технологии оплавления. Если нельзя использовать технологию оплавления с помощью принудительной конвекции, то есть если такие параметры, как эффективность нагрева и контроль его скорости, различаются, необходимо соответственно откорректировать продолжительность всех стадий оплавления: этапа нагрева, этапа выдержки, времени всего нагрева. В качестве отправной точки мы рекомендуем брать оптимизированный профиль оплавления, описываемый в этой статье. Адаптация оптимизированного профиля для используемых технологии оплавления и материалов должна проверяться с помощью наблюдения за температурным градиентом и типами и величиной возникающих дефектов пайки. Например, если наблюдается слишком большой температурный градиент, значит эффективность нагрева печи для оплавления недостаточна и следует откорректировать профиль, увеличив время выдержки.

Заключение

Рассмотренный профиль оплавления разработан для оптимизации процесса пайки и основан на анализе возникновения дефектов. Например, для уменьшения осадки припоя, появления перемычек, «надгробных камней», перекосов компонентов, затекания припоя под компоненты, а также вскрытий, наплывов, шариков припоя, образования трещин требуется медленный рост температуры нагрева. Для того чтобы избежать обугливания платы или компонентов, расслоения платы, образования ненужных интерметаллических соединений, выщелачивания припоя, формирования пустот, следует уменьшить максимальную температуру нагрева. Быстрое охлаждение в свою очередь приводит к уменьшению лишних интерметаллических соединений, обугливания, образования несмачиваемых участков и минимизации размеров зерен. Однако, с другой стороны, снижение скорости охлаждения сокращает вероятность отсоединения контактных площадок или припоя от платы.

В оптимизированном профиле поддерживается медленный рост температуры до +180 °C. Затем температура постепенно в течение 30 с повышается до +186 °C, затем очень быстро растет до +220 °C. После этого температура резко снижается, происходит быстрое охлаждение. Применение оптимизированного профиля требует технологии оплавления с эффективным нагревом и возможностью контролировать скорость нагрева, и лучше всего для этого подходит технология оплавления с помощью принудительной конвекции.