Рекомендации по выбору термопрофиля печи оплавления

ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕРМОПРОФИЛЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

Корректный термопрофиль обеспечивает качественную пайку.
 

P. John Shiloh (NOVASTAR), John Malboeuf (DDM Novastar)

Оптимальный профиль температуры печи оплавления является одним из наиболее важных факторов для обеспечения качества паяных соединений сборок печатных плат с компонентами, установленными на их поверхности. Термопрофиль— это набор температур, воздействующих на сборку в течение некоторого времени. Если использовать две координаты (время и температуру), то можно получить некоторую кривую, которая представляет изменение температуры в какой-либо точке на печатной плате, в любой момент времени при протекании процесса оплавления.

На форму этой кривой влияют несколько параметров, причем наиболее важными являются скорость движения транспортера и установки температуры в каждой зоне печи. Скорость движения ленты транспортера задает продолжительность периода времени, в течение которого печатная плата подвергается действию некоторых температур, установленных в каждой зоне печи. При увеличении этой продолжительности сборка в большей степени приближается по своей температуре к температуре соответствующей зоны печи. Сумма продолжительности пребывания платы в каждой зоне соответствует полному значению времени протекания процесса.

Температура, устанавливаемая в каждой зоне, влияет на скорость повышения температуры печатной платы. При более высокой температуре возникает большая разность температуры (ΔT) между печатной платой и температурой зоны. При увеличении заданнойтемпературы зоны печатная плата может достигнуть заданной температуры быстрее. Таким образом, нужно сформировать график профиля температур, которым должна подвергаться печатная плата. Ниже описывается методика выполнения подобной процедуры, которая иногда называется «профилированием», и которая необходима для формирования такого графика и его оптимизации.

Предварительная подготовка к профилированию

Перед началом исполнения процедуры профилирования необходимо подготовить следующее основное и вспомогательное оборудование: устройство профилирования температуры, термопары, средства крепления термопары к печатной плате и спецификации пасты припоя. Большинство фирм изготовителей ипоставщиков электронных приборов и оборудования предлагает наборы приспособлений и вспомогательного оборудования для выполнения профилирования. При использовании подобного набора создается возможность с большим удобством выполнять процесс профилирования, потому что в нем имеются все необходимые приспособления и вспомогательное оборудование (исключая само устройство профилирования температуры).
 



В настоящее время на рынке имеется много агрегатов для выполнения оплавления с вмонтированными в них устройствамипрофилирования температуры. Причем некоторые из них имеют малые размеры и довольно низкую стоимость, это в первую очередь настольные печи. Если используемый вариант печи не имеет встроенного устройства профилирования температуры, то такое устройство может быть найдено на рынке. Такие устройства профилирования температуры могут быть подразделены на две категории: устройства профилирования температуры, действующие в реальном масштабе времени, в которых производится передача данных о температуре и времени и мгновенное создание соответствующих диаграмм, и другие устройства, в которых данные профилирования температуры поступают в их внутреннюю память и затем эта информация передается на компьютер.
 
Термопары, используемые для профилирования процесса пайки печатных плат, должны быть достаточно длинными с учетом типа устройств профилирования температуры, и они должны выдерживать типичные температуры печи. Как правило, предпочтительно использование более тонких датчиков термопар, потому что с их помощью можно получать более точные данные. При их малой массе они имеют более высокую чувствительность. Однако нужно читывать, что такие термопары являются более хрупкими и поэтому при их использовании нужно быть более осторожным, чтобы исключить возможность их поломки.

Имеется несколько способов крепления термопар к печатным платам. Предпочтительным методом является крепление конца термопары с помощью высокотемпературного припоя типа сплава серебра и олова. При этом нужно стараться использовать как можно меньшее количество припоя.

Другой метод не требует затрат времени, легок в исполнении и вполне подходит для большинства вариантов применения. Небольшая капля термокомпаунда (который иногда называется "термопроводящей пастой или термосмазкой) наносится на конец термопары, который после этого крепится (к плате) термостойкой лентой типа Kapton (рис. 2.)
 



Еще один метод заключается в креплении термопары с помощью термостойкого клея типа циано-акрилата. Следует отметить, что этот метод не очень надежный по сравнению с другими методами. Необходимо также правильно определить точку крепления. Обычно, лучше всего крепить конец термопары между контактной площадкой печатной платы и соответствующим выводом компонента или металлизацией (рис. 3).
 



При выполнении данного процесса важно также использовать документ с техническими характеристиками припоя. Изготовители паст припоя публикуют спецификации для каждой формулы паст, которые они производят. В документе спецификации обычно содержится информация, важная для задания профиля нагрева, такая как продолжительность профиля зоны, температура активации пасты, точка плавления сплава и рекомендуемая максимальная температура оплавления.

Перед началом выполнения практической работы необходимо представить себе характеристики идеального профиля. Теоретически идеальный профиль включает в себя четыре части или зоны (рис. 1). В первых трех зонах выполняетсянагрев, а в последней — охлаждение. В печах с большим количеством зон увеличивается способность уточнения формы профиля для того, чтобы получить большую управляемость процесса оплавления припоя. Следует отметить, что для большинства типов паст припоя оплавление может быть успешно выполнено в печах с четырьмя основными зонами. Первая зона нагрева, которую также называют зоной «подогрева», предназначена для того, чтобы повысить температуру печатной платы от температуры окружающей среды до заданной температуры активации. В этой зоне, температура изделия постоянно поднимается со скоростью, которая не должна превышать 2-5°C в секунду. При повышении температуры с большей скоростью могут возникнуть дефекты типа микротрещин в керамических чипах (подложках). При повышении температуры с меньшей скоростью, паста припоя может «перестоять» на воздухе и кроме того, время для достижения температуры активации печатной платы может оказаться недостаточным. Зона подогрева печи обычно занимает от 25 до 33 процентов полной длины тоннеля нагрева.

Зона активации иногда называется «зоной сушки» или «зоной выдержки». Эта зона обычно занимает от 33 до 50 процентов полной длины тоннеля нагрева. Она используется для осуществления следующего. Прежде всего, в ней печатная плата подвергается действию относительно устойчивой температуры, при которой компоненты сборки, имеющие разную массу, приобретают одинаковую температуру. Кроме того, она используется для активации флюса и испарения из пасты летучих веществ. Обычно диапазон температур активации лежит в пределах между 120° и 150°C. Если температура в зоне активации установлена слишком высокой, то для флюса время активации может оказаться недостаточным и при этом наклон (температурной характеристики) кривой профиля будет слишком крутым. Несмотря на то, что большинство изготовителей пасты допускают некоторое увеличение температуры во время активации, для получения идеального профиля нужно относительно длинное «плато»при котором температура печатной платы в начале зоны и температура в конце зоны активации были бы равны друг другу. В некоторых печах, продаваемых на рынке в настоящее время, не удается обеспечить поддержание плоского профиля температурной характеристики активации. По этой причине при выборе печи, обеспечивающей получение указанного профиля температурной характеристики, можно улучшить паяемость и повысить гибкость реализации рабочего процесса.

Зона оплавления иногда называется «зоной окончательного подогрева». Эта зона обычно используется для подъема температуры сборки печатной платы от температуры активации до рекомендуемой максимальной температуры нагрева. Температура активации всегда находится несколько ниже точки плавления сплава припоя, а максимальная температура нагрева всегда находится над точкой плавления. Типичный диапазон значений максимальной температуры нагрева лежит в пределах между 205° и 230°C. При установке слишком высокой температуры в этой зоне скорость нагрева в зоне подогрева может превысить необходимое значение в пределах 2° — 5°C в секунду и оплавление может стать слишком сильным. Это может стать причиной чрезмерного коробления платы, расслоения материала или даже обгорания материала печатной платы а также может ухудшить герметичность компонентов.

Самый популярный сплав припоя, используемый в настоящее время это Sn63/Pb37. При таком соотношении олова и свинца образуется эвтектический сплав. Эвтектические сплавы плавятся при определенной температуре. Неэвтектические сплавы имеют некоторый диапазон температур плавления, в котором состояние сплава соответствует пластическому состоянию, а не точке плавления. В рамках данной статьи, все приведенные примеры относятся к эвтектическому сплаву олова и свинца, потому что это наиболее широко используемый сплав. Точкой плавления этого сплава является 183°C. В настоящее время широко используются новые бессвинцовые сплавы, у которых точка плавления лежит в пределах от 217° до 227°C.

Идеально кривая температурной характеристики зоны охлаждения должна быть зеркальным отображением кривой характеристики зоны оплавления. Чем больше напоминает эта кривая (в обратном направлении) кривую оплавления, тем плотнее будет структура зерна паяного соединения припоя по достижении им твердого состояния, в результате чего получаетсяпаяное соединение более высокого качества и с большей надежностью соединения.

Основным параметром, который нужно учитывать при создании профиля температурной характеристики, является значение установки скорости движения транспортера. Это значение определяет время нахождения печатной платы в зоне нагрева. В спецификациях типичных паст указывается, чтодля профиля нагрева нужно 3 — 4 минуты (для безсвинцовых паст припоя нужно 4-6 минут). Выполняя операцию деления значения полной длины тоннеля нагрева на полное значение нужного нагрева получаем точное значение скорости движения транспортера. Например, если для некоторой пасты припоя требуемый профиль нагрева составляет 4 минуты для печи с длиной тоннеля 6 футов, то получаем:

6 футов/4 минуты = 1.5 фута в минуту = 18 дюймов в минуту (457 мм в минуту).

Теперь необходимо определить температуры индивидуальных зон. В данном случае важно заметить, что зачастую фактической температурой зоны не обязательно будет температура, отображаемая на дисплее для этой зоны. Температура индикации представляет собой просто показания температуры для термопары, расположенной где-то в пределах зоны. Если термопара расположена несколько ближе к источнику нагрева, то отображаемая температура может быть значительно более высокой, чем температура зоны. Чем ближе термопара располагается к участку прохождения печатной платы, тем более правдоподобными являются показания температуры для соответствующей зоны. Весьма целесообразно получить консультацию от изготовителя печи по зависимостям, существующим между установочной температурой индикации и фактическими температурами зоны. В пределах этой статьи, будет рассматриваться температура зоны, а не температура индикации на дисплее. В таблице 1 даны значения установки температуры зоны, используемые для обеспечения оплавления припоя при пайке типичных сборок печатных плат.
 

Типичные значения температур зон оплавления печатной платы
Зона	Припой с составом Sn63/Pb37		Припой без свинца
	Температуразоны	Температураплаты	Температуразоны	Температураплаты
Зона подогрева	165°C	140°C	180°C	140°C
Зона активации	150°C	150°C	165°C	165°C
Зона оплавления	220°C	215°C	235°C	230°C

 
После определения скорости движения транспортера и температур, их значения необходимо ввести в память контроллера печи. В руководстве пользователя, представляемом изготовителем печи, обычно содержится информацияпо другим параметрам, которые могут быть необходимыми для регулировки процесса пайки. К этим параметрам могут относиться скорость вращения вентилятора охлаждения, степень воздействия принудительной вентиляции и уровень подачи инертного газа. После ввода всех параметров можно запускать агрегат и начать процесс профилирования после того, как действие печи станет стабильным (т.е., когда все фактические отображаемые параметры будут довольно точно соответствовать установленным значениям рабочих параметров). Теперь, установите на транспортер печатную плату, для которой выполняетсяпроцесс профилирования, и переключите устройство профилирования температуры в режим начала записи. Для удобства выполнения работ, некоторые устройства профилирования температуры обладают возможностью автоматического пуска при относительно низкой температуре. Обычно, эта температура немного превышает температуру человеческого тела 37°C. Так, например, при использовании устройства автоматического пускасистемы профилирования температуры при 38°C эта система начинает работать почти сразу после подачи печатной платы на вход печи. При этом исключается возможность появления сбоев в работе системы при касании термопары руками.

После формирования исходного графика профиля, его можно сравнить с профилем, рекомендуемом изготовителем пасты, или с профилем, показанным на рисунке 4.

Прежде всего, в данном случае необходимо проверить соответствие значенияполного времени перехода от окружающей температуры до максимальной температуры оплавления желательному значению времени, соответствующему получаемому профилю нагрева при пайке. Если оно слишком велико, то нужно соответственно увеличить значение скорости движения транспортера. Если оно слишком мало, то нужно уменьшить значение скорости движения транспортера.

Теперь нужно сравнить форму кривой диаграммы с формой желательной диаграммы (рис.4.). Если такого соответствия форм нет, то нужно произвести сравнение диаграммы с формами диаграмм, приведенных на рисунках 5 -12. При этом следует выбрать кривую, которая наиболее точно соответствует форме реальной диаграммы. Отклонения в соответствии следует рассматривать в направлении слева направо (с учетом последовательности фаз процесса). Так, например, если несоответствие отмечается в зонах подогрева и оплавления, то нужно выполнить соответствующие виды регулировки для того, чтобы скорректировать прежде всего, отклонения,обнаруженные в зоне подогрева. Обычно предпочтительно производить сначала изменение только одного параметра. После проведения такогоизменения нужно снова проверить форму профиля, запустить систему и произвести дополнительные регулировки. Такая процедура оказывается необходимой по той причине, что изменение параметров в любой зоне обязательно приведет к каким-либо изменениям параметров во всех других зонах. Обычно рекомендуется также производить регулировку параметров, вводя сравнительно небольшие изменения параметров (в особенности при малом опыте работы с системой). При приобретении определенного навыка работы с конкретной системой печи управление процессом профилирования становится более простым и естественным.

После того как удалось добиться максимального соответствия диаграммы профиля заданной диаграмме, параметры печи следует занести в память и сохранить их для последующего использования. Хотя вначале подобный процесс может быть медленным и сопряженным с ошибками, постепенно оператор, приобретая опыт, сможет все быстрее его выполнять, в результате чего ему удастся обеспечить эффективное производство высококачественных сборок печатных плат.