Особенности пайки в паровой фазе

В статье рассматриваются особенности пайки в паровой фазе.

А. Мельниченко

Пайка SMD-компонентов в паровой фазе (рис. 1) начала использоваться с 1970 г. Из-за

Рис. 1. Схема установки для пайки в паровой фазе (с погружением плат на различную глубину)

ряда проблем, связанных с этим способом пайки, она вначале применялась лишь при производстве некоторых видов военной техники, а также в отдельных случаях при изготовлении небольших партий изделий. В числе упомянутых проблем можно отметить использование флюсов, негативно влияющих на окружающую среду, невозможность пайки печатных плат с двусторонним расположением компонентов, а также увеличение образования “надгробий” при пайке чип-компонентов.

Технологический прогресс позволил ликвидировать большую часть этих проблем, в результате чего пайка в паровой фазе получила широкое распространение. В настоящее время нагрев плат при этой пайке осуществляется за счет теплоты, выделяемой при кипении рабочей жидкости (перфторированного полимера). Основными преимуществами пайки в паровой фазе по сравнению с инфракрасной или конвекционной пайкой являются создание инертной среды без применения азота, более точное управление максимальной температурой нагрева, а также более равномерный нагрев платы вследствие хорошей передачи тепла к ее участкам, имеющим различную теплоемкость. Особую ценность эти преимущества приобрели при переходе к бессвинцовой технологии. Появилась возможность уменьшения пиковой температуры пайки, улучшения смачиваемости выводов припоем и сокращения времени, затрачиваемого на оптимизацию профиля пайки.

ПИКОВАЯ ТЕМПЕРАТУРА ПАЙКИ

При инфракрасной или конвекционной пайке температура компонентов может достигать 245-265 °С. В то же время, пиковая температура пайки в паровой фазе не превышает температуру кипения рабочей жидкости и, как правило, находится в пределах 230-240 °С (рис. 2). Это позволяет использовать для изготовления печатных плат менее дорогой материал с более низкими температурами стеклования T_g и деструкции T_d. Снижение затрат при этом может достигать 10-15% и более.

Рис. 2. Типовые профили пайки в паровой фазе (с предварительным конвекционным нагревом плат)

Преимущества пайки в паровой фазе отчетливо проявляются и при пайке компонентов с большой теплоемкостью, в частности, разъемов. При этом разница температур различных участков платы значительно уменьшается. Если же монтаж платы с бессвинцо-выми компонентами выполнять с использованием конвекционной пайки, то, прогревая крупные компоненты до достижения ими необходимой температуры, можно легко превысить допустимую температуру нагрева других компонентов.

Много внимания на форумах и в периодических изданиях было уделено вопросу пайки оловянно-свинцовыми припоями компонентов, выводы которых покрыты бессвинцовыми сплавами. Пайка в паровой фазе при температуре 230 °С, при которой происходит плавление покрытия выводов, может служить одним из путей успешного решения данной проблемы.

ПАЙКА В ИНЕРТНОЙ СРЕДЕ

Возможность пайки в инертной среде с более равномерным распределением температур в пределах платы делает метод пайки бессвин-цовых компонентов в паровой фазе более предпочтительным. В этом случае можно использовать менее активные, чем при конвекционной пайке, безотмывные флюсы.

Еще одним преимуществом пайки в паровой фазе является меньший расход энергии, особенно по сравнению с конвекционной пайкой с использованием азота.

УЛУЧШЕНИЕ СМАЧИВАНИЯ СПАИВАЕМЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Визуальный контроль соединений, образованных пайкой в паровой фазе, и исследование их срезов под микроскопом позволяют сделать вывод о достаточно хорошем качестве этих соединений. Если на плате имеются один или несколько компонентов с большой теплоемкостью, то для их хорошего прогрева время пребывания платы выше температуры плавления припоя (time above liquidus) следует увеличить по сравнению с временем, рекомендуемым изготовителями паяльных паст. При этом опасность перегрева более мелких компонентов здесь отсутствует, так как их температура не может превысить температуру окружающего их пара.

УМЕНЬШЕНИЕ ВРЕМЕНИ ОТРАБОТКИ ОПТИМАЛЬНОГО ПРОФИЛЯ ПАЙКИ

Еще одним преимуществом пайки в паровой фазе является сокращение времени, необходимого для отработки оптимального профиля пайки. При традиционном способе разработки нового профиля большое число образцов плат с компонентами и установленными на них термопарами проходит через паяльную печь, после чего визуально определяется качество образованных паяных соединений и наличие остатков флюса. Для ускорения процесса отработки составляются таблицы, отражающие зависимость параметров от размеров, числа слоев плат и насыщенности их компонентами.

В отличие от этого, для отработки оптимального профиля пайки в паровой фазе время, затрачиваемое на проведение экспериментов, может быть значительно сокращено. Например, пайка стандартной многослойной платы толщиной 1.5 мм может выполняться при одном и том же температурном профиле, независимо от числа установленных компонентов.

В современных системах пайки в паровой фазе теплоемкость плат легко определяется в процессе пайки. Такие параметры, как скорость нагрева, длительность периода стабилизации температуры и пиковая температура могут быть оперативно определены и в дальнейшем сохранены в памяти системы. Для этого достаточно одного прогона образца через паяльную печь.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

Испытательные платы с компонентами в корпусах PLCC, TSOP32, SOIC, TQFP, QFP208, BGA169, BGA352 и др. (рис. 3) были подвергнуты пайке в паровой фазе и конвекционной пайке, после чего исследованы в лаборатории компании EPIC Technologies. Испытания включали 500, 1000 и 2000 температурных циклов в диапазоне от -45 до 125 °С, а также ускоренное старение в течение 1000 часов при температуре 85 °С и относительной влажности 85%. Проверка показала достаточно высокую прочность соединений на платах, спаянных разными способами. Оценивались также число шариков и мостиков припоя, “надгробий”, а также участков, не смоченных припоем. Эти характеристики для обоих методов пайки были практически одинаковыми.

Рис. 3. Испытательная плата с компонентами

Исследовалась также загрязненность поверхности плат остатками флюса. Для этого, как правило, использовался один из двух методов: ионной хроматографии или ROSE (Resistivity of Solvent Extract – измерения удельного сопротивления растворителя после обработки им платы). Первый из них позволяет определить содержание каждого химического элемента или соединения в отдельности, второй дает интегральный показатель.

В результате исследований было установлено, что загрязненность поверхности плат ионами химических соединений после пайки была гораздо меньше предельных уровней, регламентированных стандартами IPC.

В заключение можно отметить, что пайка в паровой фазе имеет ряд существенных преимуществ, основными из которых являются:

• более низкая и лучше контролируемая пиковая температура пайки

• меньшая неравномерность распределения температуры по поверхности печатной платы, что особенно важно при пайке плат с высокой плотностью монтажа, содержащих чувствительные к перегреву компоненты

• возможность создания инертной среды без применения азота, в результате чего улучшается смачивание припоем выводов компонентов и площадок платы

• уменьшение трудоемкости разработки температурного профиля пайки.

Этот метод может служить успешной альтернативой методу конвекционной пайки.