A hőmérséklet kritikus szerepe a hullámforrasztás során

A hullámforrasztás a modern elektronikai gyártás szerves részét képező tömegforrasztási eljárás, különösen az átmenő furatú alkatrészek nyomtatott áramköri lapokra (PCB) történő rögzítésére. Ennél a rendkívül hatékony módszernél az alkatrészekkel ellátott NYÁK egy szállítószalagon halad végig egy olvasztott forraszanyaggal teli serpenyő felett. A serpenyőben egy szivattyú folyamatos forraszthullámot hoz létre, amely átmossa a lap alját, és ezzel egyidejűleg erős metallurgiai kötéseket hoz létre minden egyes alkatrészvezetéknél. Bár ez a technika a tömeggyártás sarokköve, sikere alapvetően számos paraméter pontos szabályozásától függ, amelyek közül a hőmérséklet a legkritikusabb változó. Átfogó áttekintésért részletes bontást találhat a következőkben lépésről lépésre útmutató a hullámforrasztási folyamathoz.

A teljes hullámforrasztási folyamat három alapvető termikus szakaszra osztható, amelyek mindegyike különálló és létfontosságú szerepet játszik a forrasztási kötés végső minőségében.

1. Fluxus alkalmazása: Bár önmagában nem hőfokozat, a fluxus felhordása a fűtés elengedhetetlen előfeltétele. Egy vékony, egyenletes fluxusréteget visznek fel a lemez felületére, mielőtt az a fűtött zónákba kerülne. A fluxus elsődleges szerepe, hogy kémiai tisztítószerként működjön, eltávolítva az oxidokat és más felületi szennyeződéseket a fémlapokról és az alkatrészvezetékekről. Ezek az oxidrétegek, ha nem kezelik őket, megakadályozzák, hogy a forraszanyag megfelelően nedvesítse a felületeket, ami gyenge vagy nem létező kötésekhez vezet. Az ezt követő előmelegítési szakasz aktiválja a folyasztószert, lehetővé téve számára, hogy elvégezze ezt a létfontosságú funkciót.
2. Előmelegítés: Ez az első kritikus hőmérséklet-szabályozási szakasz. A NYÁK-szerelvényt fokozatosan felmelegítik egy meghatározott célhőmérsékletre, mielőtt az érintkezésbe kerülne az olvadt forraszhullámmal. Ez a lépés több okból is létfontosságú. Mindenekelőtt minimalizálja a nyomtatott áramkört és annak alkatrészeit érő hő sokk kockázatát. A forraszhullám magas hőmérsékletének való hirtelen kitettség az anyagok túl gyors tágulását okozhatja, ami az alkatrészek repedéséhez vagy a NYÁK rétegek leválásához vezethet. [Forrás: AMTECH]. Másodszor, az előmelegítési folyamat megfelelően aktiválja a fluxust, biztosítva, hogy az hatékonyan áramlik és tisztít. Végül, a lap és az olvadt forraszanyag közötti hőmérsékletkülönbség csökkentésével a megfelelő előmelegítés segít megelőzni a forrasztási hibák sorát, és egyenletesebb nedvesítést biztosít.
3. Forrasztóhullám: Ez a folyamat szíve, ahol a forrasztási művelet zajlik. A nyomtatott áramköri lap áthalad az olvadt forraszanyag dinamikus hullámán, amelyet rendkívül pontos hőmérsékleten kell tartani. A modern ólommentes forraszanyagok, például az SAC305 (ón-ezüst-réz) esetében ez a hőmérséklet jellemzően egy szűk, 255°C és 265°C közötti ablakban van. [Forrás: EpecTec]. Ha a forrasztási hőmérséklet túl alacsony, az rossz nedvesedéshez, üregekhez és megbízhatatlan "hideg kötésekhez" vezethet. Ezzel szemben, ha a hőmérséklet túl magas, akkor az érzékeny elektronikus alkatrészeket termikusan károsíthatja, a PCB szubsztrát leválásához vezethet, és felgyorsíthatja a forrasztótégelyben a korpa (oxidok) képződését, ami rontja a forraszanyag minőségét. A pontos hőgörbe elsajátítása nem tárgyalható, ezt a témát részletesen tárgyaljuk a következő útmutatóban ólommentes hullámforrasztási profil.

Végső soron a hőmérséklet-szabályozás a sikeres hullámforrasztás abszolút sarokköve. A hőprofil minden fázisát - az előmelegítési zónában történő fokozatos felfutástól a forraszhullám csúcshőmérsékletéig és az azt követő szabályozott hűtési sebességig - aprólékosan meg kell tervezni és kezelni kell. E precizitás nélkül a gyártók azt kockáztatják, hogy megbízhatatlan elektronikus szerelvényeket gyártanak, amelyekben olyan hibák fordulnak elő, mint a hídképződés és a jégképződés, ami veszélyezteti mind a termék minőségét, mind a hosszú távú megbízhatóságot. Ha szeretné megérteni, hogyan viszonyul ez a módszer a többihez, olvassa el a következő cikkünket hullámforrasztás vs. újraforrasztás.

A hullámforrasztási hőprofil megértése

Hibátlan, megbízható forrasztási varrat elérése a hullámforrasztási folyamat nem egyetlen hőmérsékletről szól, hanem egy gondosan szabályozott hőprofil elsajátításáról. Ez a profil egy idő-hőmérséklet grafikon, amely meghatározza a NYÁK-szerelvény termikus útját. Három kritikus szakaszból áll: előmelegítés, forrasztási hullám érintkezése és hűtés. Ennek a profilnak a precíz végrehajtása elengedhetetlen a folyasztószer aktiválásához, a hőfeszültség megelőzéséhez és a szilárd intermetallikus kötés kialakulásának biztosításához.

1. Előmelegítési szakasz

Az előmelegítési szakasz a hőprofil kezdeti és leghosszabb szakasza. Elsődleges célja, hogy fokozatosan és egyenletesen emelje a teljes NYÁK-szerelvény hőmérsékletét. Ez a szabályozott hőmérséklet-emelkedés döntő fontosságú a hősokk megelőzésében, amely jelenség mikroszkopikus repedéseket okozhat az alkatrészeken, vagy a lap megvetemedéséhez vezethet. Ez a szakasz a folyékony fluxus aktiválásának létfontosságú funkcióját is ellátja, lehetővé téve, hogy annak kémiai hatóanyagai hatékonyan távolítsák el az oxidokat a forrasztandó fémfelületekről. Az ellenőrzött hőmérséklet-emelkedés mértéke kiemelkedően fontos; a hőmérséklet-emelkedés mértékét általában másodpercenként 2-4 °C alatt kell tartani. Mielőtt a lap érintkezik a forraszhullámmal, a felső hőmérsékletének ideális esetben 100°C és 130°C között kell lennie. [Forrás: Epec Engineered Technologies]. Az elégtelen előmelegítés a fluxus nem teljes aktiválódását és súlyos hőterhelést eredményezhet, míg a túlzott előmelegítés idő előtt elhasználhatja a fluxust vagy károsíthatja az érzékeny alkatrészeket.

2. Forrasztási hullám érintkezési szakasz

Ez az alapszakasz, ahol a tényleges forrasztás történik. Ahogy a nyomtatott áramköri lap áthalad a forrasztótégelyen, az olvadt forraszanyag dinamikus hulláma érintkezik a lap aljával, és beáramlik a galvanizált átmenő lyukakba és az alkatrészvezetékek köré. Ennek az érintkezésnek az időtartama, az úgynevezett tartózkodási idő, általában nagyon rövid, mindössze néhány másodpercig tart. A forraszhullám hőmérséklete a legkritikusabb paraméter ebben a fázisban, és a felhasznált forraszötvözet határozza meg.

• Ólomozott forraszanyag (pl. Sn63/Pb37): Ezeknek a hagyományos ötvözeteknek alacsonyabb az olvadáspontjuk, és a forraszhullám tipikus üzemi hőmérséklete 240°C és 250°C között van.
• Ólommentes forraszanyag (pl. SAC ötvözetek): A környezetvédelmi előírások hatására az ólommentes forraszanyagok ma már ipari szabványnak számítanak. Magasabb olvadáspontjuk miatt lényegesen magasabb hullámhőmérsékletet igényelnek, általában 260°C és 270°C (500°F - 518°F) között. [Forrás: PCB Technologies].

A stabil és egyenletes hőmérséklet fenntartása a teljes hullámon létfontosságú az egyenletes, jó minőségű forraszthatóság létrehozásához. A modern ólommentes ötvözetek bonyolultságában eligazodó gyártók számára, az ólommentes hullámforrasztási profil elsajátítása a termelési siker abszolút kulcsa.

3. Hűtési szakasz

Közvetlenül a forrasztási hullám elhagyása után a NYÁK a végső hűtési szakaszba lép. Ez nem egy passzív folyamat; a hűtés sebességét gondosan kell irányítani, hogy biztosítsuk az erős, finom szemcsés forrasztási kötésszerkezet kialakulását. Ha a szerelvény túl gyorsan hűl le (sokkoló hűtés), belső feszültségeket idézhet elő, ami törékeny kötésekhez vagy mikrotörésekhez vezethet, amelyek később meghibásodhatnak. Ezzel szemben, ha a hűtési folyamat túl lassú, az durva szemcseszerkezet kialakulásához vezethet, ami gyengíti a kötés mechanikai szilárdságát. Az ideális hűtési sebesség általában kevesebb, mint 5°C másodpercenként. [Forrás: OurPCB]. Ez a szabályozott hőmérsékletcsökkenés lehetővé teszi, hogy a forraszanyag szilárd fémkohászati kötéssé szilárduljon, tartósan rögzítve az alkatrészeket a helyükön.

Hogyan befolyásolják a PCB jellemzői a szükséges termikus profilt?

A tökéletes forrasztási kötés elérése nem érhető el az egyméretű megközelítéssel. Az ideális hőmérsékleti profilt gondosan hozzá kell igazítani az egyes nyomtatott áramköri lapok egyedi fizikai és anyagi jellemzőihez. Bármely forrasztási folyamat optimalizálása, a hullámforrasztástól az újraforrasztásig, mélyreható ismereteket igényel arról, hogy az olyan változók, mint a lapvastagság, az alkatrészsűrűség és az anyagtípus hogyan befolyásolják a hőfelvételt és -eloszlást. A kemencés módszereket használók számára részletes útmutatót talál a profilok létrehozásához a következő cikkünkben a reflow sütő hőmérsékleti profiljának beállítása.

PCB vastagság és termikus tömeg

A nyomtatott áramköri lap vastagsága és rétegszáma elsődlegesen meghatározza a hőtömegét - a hőmérséklet növeléséhez szükséges hőenergia mennyiségét. Egy vastag, többrétegű lapnak lényegesen nagyobb a hőtömege, mint egy vékony, egyrétegűnek. Az előmelegítés során több energiára és időre lesz szükség a célhőmérséklet egyenletes eléréséhez. Ha az előmelegítési szakasz túl rövid, vagy a hőmérséklet túl alacsony, a lap belső magja hűvös maradhat, ami hideg forrasztási kötésekhez vezethet, amikor a forraszhullámhoz ér. Ezzel szemben a nagy tömegű lapra tervezett profil alkalmazása kis tömegű lapon túlmelegedést eredményez, ami károsíthatja az alkatrészeket, vagy a lap delaminálódását okozhatja. [Forrás: Epec Engineered Technologies]. A profilt be kell állítani, gyakran az előmelegítési zónák időtartamának meghosszabbításával vagy a hőmérséklet növelésével, hogy a teljes szerelvény elérje a termikus egyensúlyt.

Komponensek sűrűsége és eloszlása

Az alkatrészek mérete, mennyisége és elhelyezése szintén jelentősen hozzájárul a teljes hőtömeghez és annak eloszlásához. Egy nagyméretű alkatrészekkel, például gömbrácsos tömbökkel (BGA-k), négylapos panelekkel (QFP-k) és hűtőbordákkal sűrűn telepített egység egészen másképp nyeli el és osztja el a hőt, mint a kis, különálló alkatrészekből álló, ritkás elrendezésű lap. A nagyméretű alkatrészek hőelnyelőként működhetnek, elvonva a hőenergiát a forrasztási kötésekből, és "hőárnyékot" képezve megakadályozzák, hogy a kisebb, közeli alkatrészek elérjék a szükséges hőmérsékletet. Egy hatékony PCB reflow hőmérsékleti profil gyakran tartalmaz egy "áztatási" zónát, egy tartós hőmérsékletű időszakot, amely lehetővé teszi az egész lap kiegyenlítődését, biztosítva, hogy minden alkatrész egyenletesen felmelegedjen a végső hőmérsékleti tüske előtt. [Forrás: Anda Technologies]. Ez az elv a hullámforrasztás előmelegítési szakaszára is vonatkozik.

Board anyag és forraszanyag ötvözet

Bár az FR-4 a legelterjedtebb hordozóanyag, a speciális alkalmazások egyedi hőtani tulajdonságokkal rendelkező anyagokat igényelnek. A nagyfrekvenciás áramkörök Rogers anyagot használhatnak, míg a nagy teljesítményű alkalmazások gyakran támaszkodnak a fémmagos NYÁK-okra (MCPCB). Ezek az anyagok eltérő hővezető képességgel rendelkeznek, ami drámaian befolyásolja a hő terjedését. Az MCPCB-ket például úgy tervezték, hogy nagyon hatékonyan vezessék el a hőt, ami kihívássá teszi a szükséges forrasztási hőmérséklet fenntartását a kötésnél. A hőmérsékleti profilnak agresszívabbnak kell lennie, hogy kompenzálja ezt a gyors hőleadást anélkül, hogy a hőmérsékletre érzékeny alkatrészek túlmelegednének. Továbbá maga a forrasztóötvözet is kritikus tényező. A hagyományos ón-ólom (SnPb) forraszanyagok olvadáspontja 183 °C körül van. Ezzel szemben a modern ólommentes ötvözetek, mint például a SAC305, magasabb olvadásponttal rendelkeznek, jellemzően 217°C és 221°C között. Ez lényegesen nagyobb forrósági profilt igényel, az újraforrasztásos forrasztáshoz szükséges csúcshőmérséklet 235°C és 250°C között van, ami 20-30°C-kal magasabb, mint az ólomtartalmú forraszanyagok esetében. [Forrás: PCB Technologies]. A rossz profil használata katasztrófához vezethet, a hiányos forraszolvadástól a súlyos hőkárosodásig. Ha többet szeretne megtudni erről, tekintse meg mélyreható merülés a reflow forrasztási folyamatba.

A helytelen hőmérséklet által okozott gyakori forrasztási hibák

A hőmérséklet a kiváló minőségű forrasztási kötések elérésének kulcsa. Ha a hőprofil nem megfelelő, számos gyakori és gyakran költséges forrasztási hiba keletkezhet. Annak megértése, hogy hogyan lehet ezeket a problémákat a hőmérsékleti paraméterek beállításával azonosítani, diagnosztizálni és kijavítani, alapvető fontosságú bármely elektronikus szerelvény hosszú távú megbízhatóságának biztosításához.

Hideg illesztések

Hideg kötés akkor keletkezik, amikor a forraszanyag nem olvad meg teljesen és nem folyik megfelelően, ami rossz és megbízhatatlan kapcsolatot eredményez az alkatrész vezeték és a NYÁK-lapka között. Ezek az illesztések vizuálisan tompa, szürke, durva vagy darabos megjelenésükről ismerhetők fel, és nem rendelkeznek a jó forrasztási illesztések fényes és csillogó felületével. Elektromos szempontból komoly problémát jelentenek, gyakran okozhatnak időszakos meghibásodásokat, amelyeket nehéz hibaelhárítani.

• Diagnózis: A hideg ízület oka szinte mindig az elégtelen hőhatás. Ez eredhet a túl alacsonyra beállított forrasztópáka-hőmérsékletből, a túl rövid hőalkalmazásból vagy egy nagy alaplapból, amely túl gyorsan elszívja a hőt a kötésből. [Forrás: All About Circuits]. Automatizált folyamatoknál azt jelzi, hogy az előmelegítés nem volt elégséges, vagy a csúcshőmérséklet túl alacsony volt. A probléma részletesebb vizsgálatáért tekintse át a következő útmutatót hideg kötések megoldása reflow forrasztásnál.
• Felbontás: A hideg kötések rögzítése a hőprofil beállítását igényli, hogy több hőenergiát juttasson a kötésbe. Ez magában foglalhatja a forraszhullám vagy az újraolvasztókemence csúcshőmérsékletének növelését, vagy a time-above-liquidus (TAL) - az az időtartam, amely alatt a forraszanyag teljesen olvadt marad - meghosszabbítását. A robusztus előmelegítési szakasz szintén kritikus, mivel ez biztosítja, hogy az egész szerelvény magas hőmérsékleten legyen, és megakadályozza, hogy a lap masszív hőelvezetőként működjön a végső forrasztási fázisban. [Forrás: Epec Engineered Technologies].

Forrasztás áthidalása

A forraszthíd olyan hiba, amikor a felesleges mennyiségű forraszanyag nem szándékos elektromos kapcsolatot képez két vagy több szomszédos lapka vagy alkatrészvezeték között. Ezek a "rövidzárlatok" azonnali áramköri meghibásodásokat okozhatnak, és különösen nagy kihívás észlelni őket, ha sűrű alkatrészek, például BGA-k (Ball Grid Arrays) alatt fordulnak elő.

• Diagnózis: Az áthidalást gyakran a túl sok forraszpaszta felhordása vagy a nem megfelelő hőprofil okozza, amely lehetővé teszi a forraszanyag ellenőrizetlen folyását. Konkrétan a túl agresszív előmelegítési ütem miatt a forraszpaszta összeeshet és szétterjedhet, mielőtt megolvadna, ami jelentősen növeli a hidak kialakulásának valószínűségét. [Forrás: Techno]. Az optikai vizsgálat (kézi vagy automatizált) az elsődleges módszer e hiba felderítésére.
• Felbontás: A hőprofil beállítása kulcsfontosságú megoldás. Az előmelegítési rámpa sebességének csökkentése minimalizálhatja a forraszpaszta lecsapódását. Emellett a csúcshőmérséklet optimalizálása is döntő fontosságú; ha túl magas, akkor a forraszanyag felületi feszültsége és viszkozitása túlzottan lecsökkenhet, ami azt eredményezheti, hogy a forraszanyag messze túlfolyik a padjain. Hullámforrasztásnál a szállítószalag sebességének, a folyasztószer alkalmazásának és a forraszhullám dinamikájának beállítása szintén hatékony stratégiák, amint azt a következő legjobb gyakorlatoknál részletezzük a forrasztás áthidalásának csökkentése.

Hősokk

A termikus sokk olyan károsodásokat vagy töréseket ír le, amelyek a gyors hőmérséklet-változások miatt keletkeznek a nyomtatott áramköri lapban vagy annak alkatrészeiben. A NYÁK-szerelvényben használt különböző anyagok - például az FR-4 hordozó, a réz nyomvonalak és a kerámia alkatrésztestek - mind különböző sebességgel tágulnak és húzódnak össze (hőtágulási együttható). A meredek hőmérséklet-emelkedés hatalmas mechanikai feszültséget okoz, amely katasztrofális repedésekhez vezethet.

• Diagnózis: Ez a hiba gyakran mikroszkopikus repedések formájában jelenik meg az alkatrésztestekben, különösen az olyan törékeny alkatrészeknél, mint a többrétegű kerámia kondenzátorok, vagy magukban a forrasztási kötésekben. Ezek a repedések szabad szemmel gyakran láthatatlanok, de idővel továbbterjedhetnek, ami látens térbeli meghibásodáshoz vezethet. Hősokk akkor fordulhat elő a legnagyobb valószínűséggel, ha az előmelegítési és a csúcsforrasztási zóna közötti hőmérsékletkülönbség túl nagy, és az átmenet túl gyors. [Forrás: Vezető konténerek].
• Felbontás: A végleges megoldás a termikus profilon belül a felfutási sebesség szigorú szabályozása. A legtöbb forrasztási folyamat esetében a másodpercenkénti 1-3 °C-os felfutási sebesség biztonságos és ajánlott irányelv mind a fűtés, mind a hűtés esetében. A hőmérséklet fokozatos, lineáris növekedése lehetővé teszi, hogy a lapon lévő különböző anyagok egyenletesen táguljanak és húzódjanak össze, minimalizálva a belső feszültséget. Konkrét útmutatásért olvassa el átfogó útmutatónkat a következő témában a PCB reflow hőmérsékletprofiljának elsajátítása.

Források

• Minden az áramkörökről - Forrasztási sorozat: Forrasztás: Gyakori forrasztási problémák
• AMTECH - Mi a hullámforrasztási folyamat? Paraméterek, hibák és irányelvek
• Anda Technologies - A termikus profilozás jelentősége a NYÁK összeszerelésében
• Vezetőképes tartályok - forrasztási hibák és okok: A Guide to Quality Control
• Epec Engineered Technologies - 7 gyakori PCB forrasztási probléma elkerülése érdekében
• Epec Engineered Technologies - PCB hullámforrasztási eljárás
• Epec Engineered Technologies - A termikus profilozás fontossága a PCB-összeszerelésnél
• EpecTec - Hullámforrasztás nyomtatott áramköri lapok szerelvényeihez
• OurPCB - Hullámforrasztási hőmérséklet: A végső útmutató megismerése
• PCB Technologies - Hullámforrasztási hőmérsékletprofil - Mi az optimális tartomány?
• PCB Technologies - Az SMT reflow forrasztási folyamat magyarázata
• Techno - A PCB gyártás során előforduló gyakori forrasztási problémák azonosítása és megelőzése