Предварительный нагрев
Первый этап пайки оплавлением называется предварительный нагрев и заключается в постепенном безопасном повышении температуры платы PCBA, что позволяет всем компонентам и всей сборке достичь безопасной, однородной и постоянной температуры. Также на этом этапе растворяются летучие компоненты паяльной пасты, и они не остаются внутри нее. Задача этих жидкостей — делать припой более пластичным, чтобы облегчить его соединение с компонентами. Если внутри припоя присутствуют неулетевшие остатки, они могут повлиять на качество адгезии, поэтому важно, чтобы они испарялись в процессе пайки, и это происходит как раз на этапе предварительного нагрева.
В этой зоне необходимо добиться теплового равновесия по всей сборке; температура припоя должна быть однородной, прежде чем сборку можно будет переносить в следующую зону пайки. Профиль может уменьшить любые температурные различия между разными компонентами или между разными участками печатной платы, особенно если плата PCBA очень большая, также термопрофиль рекомендуется для уменьшения проблем с пайкой BGA компонентов.
Зона термической выдержки
Следующий этап называется зоной термической выдержки. Здесь происходит воздействие на сборку постоянной температуры в течение 1-2 минут, что позволяет завершить удаление летучих веществ из паяльной пасты и «активирует» флюсы. Компоненты начинают «прилипать» к площадкам печатной платы, а адгезия без окислов будет происходить в среде испарившегося флюса. Слишком высокая температура на этом этапе может привести к разбрызгиванию припоя или образованию шариков, а также к окислению паяльной пасты. При слишком низкой температуре флюсы могут быть не полностью активированы.
Зона расплавления
Третья зона — зона расплавления, также известная как TAL — Time Above Liquidus, время над температурой расплавления. Здесь достигается максимальная температура, и для успешного процесса важно, чтобы она находилась под контролем. Обычно эта температура на 20-40 градусов выше температуры плавления припоя, при которой припой переходит в жидкое состояние.
Поскольку полупроводниковые компоненты (транзисторы, интегральные схемы, мосфеты) и дискретные электронные компоненты (резисторы, конденсаторы, катушки, индукторы) имеют разную допустимую температуру пайки, максимальная температура, достигаемая в этой зоне, должна быть ниже температуры, наиболее чувствительного к тепловому повреждению компонента.
Хорошее эмпирическое правило — вычесть 5 градусов из максимальной температуры, которую может выдержать самый «нежный» компонент. Или нагревать до самой низкой температуры, указанной в спецификации в качестве максимальной температуры на этом этапе. Важно внимательно следить за всей процедурой и никогда не превышать этот предел. Высокие температуры свыше 260℃ могут повредить внутренние элементы компонентов поверхностного монтажа и вызвать рост интерметаллических оксидов, которые влияют на производительность полупроводников. С другой стороны, если температура недостаточно высока, это может помешать плавному расплавлению пасты.
Температура и время выдержки в любом случае не должны превышать параметры, указанные производителем припоя. Если они превышены, то весь флюс может испариться, образовав сухой припой, который даст плохой контакт, появятся разрывы паяных соединений и пузырьки внутри пайки и произойдет высыхание припоя.
Неправильно рассчитанное соотношение температуры и времени может привести к снижению эффективности флюса, задача которого — очистить припой от примесей, что приведет к плохому смачиванию, недостаточному удалению растворителя и флюса из припоя и в итоге к дефектным паяным соединениям.
Рекомендуется, чтобы период зоны оплавления был как можно короче, большинство паяльных паст указывают, что этот период должен составлять не менее 30 секунд, хотя причины такого времени не объясняются. Возможно, в некоторых местах на PCBA температура не достигается при запрограммированном профиле, тогда установка времени в 30 секунд уменьшает вероятность того, что есть области, которые не расплавятся из-за недостатка температуры. Учитывая, что получить однородную температуру на PCBA довольно сложно, минимальное время выдержки позволит уменьшить изменения температуры внутри печи.
Температура расплавления не должна поддерживаться более 60 секунд, так как это время является чрезмерным для многих электронных компонентов. С другой стороны, слишком короткое время пайки или слишком низкая температура могут задержать растворители и флюсы внутри, создавая холодные или непрочные соединения из-за небольших пустот (пузырьков), которые могут появиться внутри припоя.
Зона охлаждения
Зона охлаждения позволяет постепенно снизить температуру платы на этом этапе пайки, что уменьшает чрезмерное образование интерметаллических соединений в результате теплового перегрева компонентов, т.е. слишком быстрого изменения температуры, что и приводит к повреждению, наблюдаемому внутри компонентов.
Температура в зоне охлаждения варьируется от 30 до 100 градусов, быстрая скорость охлаждения создает механически прочную мелкозернистую структуру. Скорость охлаждения часто игнорируется или не строго контролируется. Максимально допустимый наклон кривой охлаждения для любого компонента должен применяться вне зависимости от того, нагревается или охлаждается компонент. Рекомендуется скорость охлаждения 4℃ в секунду.
По материалам с сайта www.fs-pcba.com. Еще статьи по теме монтажа и изготовления печатных плат: