И конвекционным нагревом

В случае применения паяльной пасты пайка элементов поверхностного монтажа осуществляется бесконтактным оплавлением пасты, нанесённой на контактные площадки под выводами элементов. Передача тепла к паяемым узлам осуществляется в основном с помощью инфракрасного излучения (при оплавлении инфракрасным нагревателем) или потока разогретого газа (при оплавлении потоком разогретого воздуха, инертного газа). В серийном производстве пайку производят в автоматизированных печах. В качестве нагревателей при разных способах пайки используются инфракрасные нагреватели или системы форсунок, через которые подаётся разогретый воздух, азот или пары фторорганических соединений. Платы перемещаются через печь с помощью конвейерной ленты из нержавеющей стали (при оплавлении плат с односторонним монтажом) или транспортёром из нескольких параллельных цепей (при оплавлении плат с двусторонним монтажом). При движении плат через печь выдерживается график изменения температуры, приведённый на рисунке 2.56. Перед оплавлением припоя плата выдерживается при постоянной температуре ниже точки оплавления для достижения теплового баланса и уменьше­ния напряжений в плате и компонентах. Передача тепла ИК излучением по своей природе отличается от конвекционного переноса тепла гораздо большей скоростью. При этом для качественного проведения пайки важно знать длину волны ИК излучения, прозрачность среды, а также характер поведения паяльной пасты в условиях облучения. Обычно инфракрасную пайку ЭК на поверхность КП проводят с использованием ИК излучения с длиной волны в диапазоне 1.2-2.5 мкм, в котором органические вещества прозрачны, что позволяет излучению проникать в глубь паяльной пасты, удалять из неё растворитель, не повреждая защитную паяльную маску. При ИК пайке поглощающая способность нагреваемых ЭК должна быть постоянной, однако отмечено, что её величина зависит от состояния отражающей поверхности компонента. Кроме того, недостатком ИК пайки является неравномерный нагрев платы и компонентов, который можно уменьшить, снизив скорость движения конвейера.

Рисунок 2.56 - Профиль изменения температуры для пайки печатной платы в печи:

Тд << (150... 160) °С – температура выдержки для прогрева платы; Т_пл = (180 —200) °С — температура плавления припоя Тп = (215…280) °С – пиковая температура в зоне оплавления припоя; t_1в > 60 с – время выдержки; t_2в > 10 с – время воздействия пиковой температуры

В отличие от ИК нагрева конвекционный метод передачи тепла при пайке ЭК обеспечивает равномерный щадящий нагрев печатного узла, исключающий появление теневых эффектов. Поэтому наиболее пер­спективным методом яв­ляется пайка с использо­ванием конвекционного нагрева.

Рассматривая осо­бенности пайки элек­тронных компонентов в печах, следует отметить, что при пайке одновре­менно с платой нагрева­ются установленные на ней компоненты, причём из-за относительно высокой скорости нагрева внутри компонентов создаётся неоднородное распределе­ние температуры, вызывающее механические напря­жения, которые могут разрушить компонент. Разруше­ние компонентов является одной из причин брака при пайке методом оплавления припоя в печах. Уменьшить количество разрушенных при пайке компонентов путём снижения скорости нагрева не удаётся в связи с тем, что при этом внутренние напряжения возникнут из-за того, что компоненты имеют сложную структуру и состоят из мате­риалов с разными коэффициентами температурного расширения. С этой точки зрения более выгодными являются быстрые нагрев и охлажде­ние, поскольку в этом случае внутри компонента температура не успевает подняться. Поэтому очень важным является строгое соблюдение рекомендуемого паспортом на компонент ре­жима пайки. Другая причина брака кроется в физических и химических процессах, протекающих в месте пайки. Прочное паяное соединение – вывод элек­тронного компонента - контактная площадка на плате – образуется тог­да, когда на границе раздела двух материалов (например, меди и оловянно свинцового припоя) происходит взаимная диффузия атомов металлов. Чтобы создать условия для диффузии, прежде всего, необходимо смачивание припоем поверхности метал­ла. Для этого металл при пайке по­крывают флюсом и нагревают до температуры выше точки плавле­ния припоя. При нагревании флюс переходит в жидкое состояние и растворяет загрязнение и окислы на поверхности металла, затем жидкий припой силой поверхност­ного натяжения распределяется по чистой поверхности металла.

Скорость распределения при­поя по выводу компонента и кон­тактной площадке на плате опре­деляется не только состоянием их поверхностей (окислены ли они, загрязнены или нет), но и свойства­ми используемого флюса (умерен­но активного, активного или очень активного), а также качеством са­мого припоя. Стабильность точки плавления припоя и его текучесть при нагреве выше этой точки в значительной мере оп­ределяются точностью поддержания состава припоя и содержанием в нём примесей. В современных техно­логиях пайки электронных компонентов на поверх­ность плат используют только высококачественные припои с составом, контролируемым с высокой точностью (например, американской фирмы AIM). Эти припои даже при небольшом превышении температуры над точкой плавления имеют высокую текучесть по металлу. Таким образом формируется граница взаимодействия металла и припоя, на которой образуется слой спла­ва из всех взаимодействующих металлов. Толщина этого слоя и его структура зависят от темпе­ратуры и времени пайки. В свою очередь, прочность пая­ного соединения зависит от толщины и состава слоя нового сплава. В частности, если при пайке температура незначительно превышает точку плав­ления припоя, диффузия проис­ходит медленно и за время пай­ки слой нового сплава не успе­вает образоваться. Такое «хо­лодное» паяное соединение от­личается низкой механической прочностью. Если пайку производить при высокой температуре и длительное время, то на границе взаимодействия образуется относительно толстый слой, насыщенный кристаллами интер­металлических соединений меди и обладаю­щий высокой хрупкостью. При термоциклировании пе­чатного узла, воздействии на него вибрации и ударов такое паяное соединение быстро разрушается. Есть и другие причины, которые делают высокотем­пературную пайку нежелательной. Чем выше темпе­ратура пайки, тем больше механические напряжения, вызванные различием температурных коэффициентов расширения платы и компонентов. В начале кристал­лизации припой имеет малую прочность и механичес­кие напряжения могут легко разрушить паяное соеди­нение при остывании платы. Такие дефекты пайки ха­рактерны для компонентов в корпусах типов Chip, MELF и шариковых выводов компонентов в корпусах типа CSP. Длительная высокотемпературная пайка та­ких компонентов нежелательна также по другой при­чине. Эти компоненты имеют тонкий слой металлиза­ции, которая может растворяться в припое при пайке. Следовательно, существует оптимум по температуре и длительности процесса пайки, обеспечивающий формирование паяного соединения максимальной прочности.

Согласно исследованиям паяное соединение максимальной прочности формируется при перегреве припоя на 50-70° С относительно точки плавления и длительности процесса пайки 1-2 с.