Конденсаційна пайка

22.02.2024 |

Технологія конденсаційної пайки характеризується повністю гнучким контролем підвищення температури (так зване динамічне профілювання), антиокислювальною атмосферою та низькою піковою температурою (макс. 230°C).

Конденсаційна пайка була розроблено компанією Western Electric у Прінстоні на початку 1970-х років. Перші системи використовували CFC (фреони), які були заборонені в 1990-х через теплоносій, що призвело до зосередження на інфрачервоних і конвекційних системах. Однак обмеження інфрачервоних і конвекційних систем, такі як різні швидкості нагріву компонентів з різними тепловими характеристиками, висока пікова температура та явища окислення, означали, що вони не виправдали очікувань у дуже вимогливих додатках. Останні роки принесли все більш і більш складні модулі для монтажу (компонування, різна теплоємність), що поставило дедалі більші та важкодосяжні вимоги до конвекційного паяння. Потім на ринок повернулася конденсаційна пайка. В даний час плати можуть мати до 96 шарів, металеве або вуглецеве ядро, внутрішні шари охолодження тощо тому ризик термічного пошкодження дуже розповсюджений у конвекційній технології.

Сучасні конденсаційні системи пропонують рішення для безсвинцевого паяння складних виробів, запобігаючи при цьому появі пустот в паяних з’єднаннях.

Ось чому системи конденсаційної пайки є хорошою альтернативою все ще поширеним конвекційним печам, які використовуються компаніями OEM/EMS:

  • відсутність перегріву
  • нульова дельта Т
  • зменшення пустот при пайці
  • безкиснева атмосфера
  • відмінна цілісність припою
  • повністю гнучке термопрофілювання
  • можливість використання вакууму
  • швидкий старт (розігрів займає близько 20 хвилин)
  • енергоефективність (приблизно 60% економія в порівнянні з конвекцією)
  • підходить для виробництва невеликих обсягів/великого різноманіття
  • можливість пайки модулів складного компонування, важких або змонтованих на багатошарових платах
  • екологічна безпека
  • конкурентоспроможна вартість володіння
  • надійність кінцевого продукту

Порівняння принципів роботи конденсаційних і конвекційних систем

Процес надзвичайно простий – його можна порівняти з киплячим чайником з водою, тільки замість води в ньому використовується рідина з сімейства PFPE (перфторполіефір), яка є теплоносієм. PFPE мають дуже високу температуру кипіння, між 200-260°C, що відповідає плавленню припою. Це рішення обмежує максимальну температуру, якій може бути підданий компонент, використовуючи фізичні явища замість програмування. Це також виключає помилки керування процесом. Наприклад, використовуючи рідину з температурою кипіння 230°C, ви можете бути впевнені, що ні плата, ні будь-який компонент не будуть піддаватися впливу температур, що перевищують це значення.

Другим параметром процесу оплавлення є час. У разі конденсаційного паяння процес відбувається лише в два етапи – паяння та охолодження. Час паяння визначається розміром і вагою зібраної системи: чим більше схема, тим більше енергії потрібно подати, щоб нагріти її до 240°C.

Теплообмін в інертному середовищі PFPE набагато кращий, ніж у газовому середовищі. PFPE має набагато вищу теплоємність, а це означає, що аналогічна кількість пари зможе передати більше тепла. Крім того, PFPE також має вищу теплопровідність, що означає ефективнішу передачу енергії від пари до плати та компонентів. Ефективність теплопередачі, в свою чергу, визначає енергоефективність всього процесу.

Стандартне енергоспоживання в порівнянні з аналогічною конвекційною системою приблизно на 60% нижче, пристрій нагрівається приблизно за 20 хвилин.

Конденсаційне паяння відбувається в безкисневому середовищі, тому процес пред’являє набагато менші вимоги до флюсу. Це дає можливість виробникам зменшити діючі речовини флюсу. Функції флюсу, для яких він розроблений, можуть бути повною мірою використані при конденсаційному паянні завдяки тому факту, що максимальна температура визначається точкою кипіння рідини, що захищає флюс від надмірного термічного навантаження (мал. 1). Енергії потрібно лише для нагрівання рідини та створення шару пари над друкованою платою. У складних друкованих платах через їх меншу масу дрібніші компоненти будуть нагріватися швидше, але їх температура не перевищуватиме максимальну температуру і вони не будуть піддаватися окисленню.

Малюнок 1. Точка кипіння рідини визначає максимальну температуру для всіх компонентів.

Швидкість підвищення температури компонентів (мал. 2) залежить від їх маси матеріалів і положення на панелі. Однак при конденсаційному паянні максимальна температура компонента ніколи не буде вищою за температуру кипіння рідини.

Малюнок 2. Швидкість підвищення температури для різних компонентів відрізняється, але максимальна температура однакова.

У процесі конвекції зазвичай потік навколо малих компонентів випаровується, чекаючи, поки більші компоненти досягнуть відповідної температури. В атмосфері, що містить кисень, хороші припої можуть швидко зіпсуватися через високу температуру та, як наслідок, підвищену реактивність поверхні. З цієї причини конденсаційне паяння часто цінується виробниками, які мають велику кількість споживачів/невеликі обсяги виробництва.

У традиційних системах джерело тепла повинно мати вищу температуру, ніж повітря, а повітря повинно мати температуру, вищу за бажану максимальну температуру. У складних друкованих платах малі компоненти нагріватимуться понад рекомендовані межі та піддаватимуться тепловому стресу та окисленню. На мал. 3 показано різницю температур між джерелом тепла та друкованою платою в конвекційній печі.

Малюнок 3. Конвекційна пайка — надмірна температура джерела тепла негативно впливає на компоненти невеликої маси.

Пікові температури випромінювання та фактично розподілена температура впливають на максимальну температуру, яку досягають невеликі компоненти, яка часто перевищує 260°C (мал. 4).

Малюнок 4: Конвекційна пайка – екстремальні температури.

Контрольована пайка насиченою парою

Зона, в якій відбувається конденсаційна пайка, розташована безпосередньо над ємністю з середовищем (тобто теплоносієм). Середовище нагрівається нагрівальними пластинами і утворює шар насиченої пари безпосередньо над рідиною. Оскільки пара, що утворюється таким чином, важча за повітря, вона не виходить угору. При введенні модуля в зону пайки пара падає, конденсуючись по всій поверхні виробу і створюючи навколо нього рідку плівку. На відміну від ранніх систем, сучасні пристрої запобігають впливу раптового збільшення енергії на продукт. Поверхневий натяг плівки і капілярні сили виключають доступ повітря до продукту, в результаті чого утворюється безпечний шар, який повністю гарантує пайку без присутності кисню. Після виходу модуля із зони пайки плівка випаровується, не залишаючи слідів на платі.

Навколо плівки рідини збирається насичена пара. Пара нагрівається за допомогою нагрівальних елементів до потрібної температури і вся енергія від нагрівального елементу передається в парову фазу. Потім пара конденсується навколо модуля в рідку плівку, зберігаючи ту саму частину енергії. Потім енергія рівномірно передається від рідкої плівки до всього модуля (мал. 5).

Малюнок 5. Потік енергії в системі конденсаційного паяння. 

Цей цикл передачі енергії забезпечує постійний і рівномірний нагрів усього продукту. Цей процес триває, доки паяний продукт не досягне температури пари, і коли ця точка досягнута, конденсація автоматично припиняється. Ця концепція дозволяє точно контролювати температуру шляхом контролю дози застосованої енергії. У процесі конденсаційного паяння температура пари не може перевищувати температуру кипіння середовища. Це автоматично виключає можливість перегріву модуля. Ви також можете легко та багаторазово використовувати всі типи температурних профілів: лінійні та зі ступенем нагріву.

Вертикальна структура печі з насиченою парою дозволяє оператору постійно контролювати процес і бачити кінець циклу, що дозволяє негайно завершити пайку і не залишати спаяну плату вище ліквідусу занадто довго. На відміну від горизонтальних систем, вертикальні системи не вимагають механічного відведення парів із технологічної камери, що надмірно подовжує час циклу.

Оскільки паровий шар важчий за повітря, вертикальна конструкція також забезпечує чітко визначений паровий шар, забезпечуючи стабільність процесу. Завдяки особливій структурі камери занурення продукту не викликає турбулентності пари. Можливість вибору вільно програмованого градієнта температури гарантує оптимальний нагрів продукту.

Під час кожного циклу температурний профіль можна вимірювати, записувати та зберігати для контролю або відстеження.

Рідина для теплопередачі Galden®

Galden – рідкий полімер. Ці типи рідин є ідеальним середовищем для процесу конденсаційного паяння. Щільність пари рідин Galden значно перевищує щільність повітря, тому етап нагріву та пайки гарантовано проводиться в безкисневій атмосфері. Рідини Galden швидко випаровуються з гарячих поверхонь, що дозволяє модулям швидко та без залишків висихати. Рідини Galden виявляють високу хімічну та термічну стабільність.

З поширенням конденсаційного паяння вибір відповідної рідини стає більш важливим, беручи до уваги аспекти безпеки, споживання, економічності, досягнутої температури та її стабільності, і, нарешті, особливості самої системи для пайки. Вибір рідини частково визначається вибором конкретного пристрою, а також його фізичними властивостями.

Висновки

Сучасні системи конденсаційного паяння, засновані на новітніх технологіях, усунули недоліки ранніх конструкцій. Конденсаційна пайка наразі пропонує найкращі умови температури потоку припою для вимогливих застосувань. Завдяки використанню насиченої пари з початкової фази нагрівання ризик окислення з’єднаних поверхонь повністю виключається. Крім того, точний контроль температури середовища, яке використовується, також виключає ризик поломки модуля. Різноманітний температурний профіль дозволяє адаптувати процес до конкретного продукту, а додаткове використання вакууму дозволяє досягти пайки без дефектів.

За матеріалами сайту https://tek.info.pl