Wie man das Reflow-Profil von SMT versteht

Wie man das Reflow-Profil von SMT versteht

Die Erfindung und Verfeinerung der Oberflächenmontagetechnik (SMT) hat zur Blüte der Elektronikindustrie beigetragen. Das Reflow-Verfahren ist eine der wichtigsten Technologien in der SMT.
Die Reflow-Profil der Leiterplattenmontage umfasst vier Hauptblöcke: Vorwärmen, Eintauchen, Reflow und Abkühlen. Diese werden im folgenden Abschnitt im Detail vorgestellt.

Inhaltsübersicht
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    Vorwärmzone

    Im Reflow-Profil bezieht sich die Vorwärmzone in der Regel auf den Bereich, in dem die Temperatur der Leiterplatte von der Raumtemperatur auf ca. 150-170 °C ansteigt. In diesem Bereich sollte die Temperatur langsam erhöht werden (auch bekannt als einmaliger Temperaturanstieg), um die Menge der Lötpaste und der Wasserdampf kann sich rechtzeitig verflüchtigen, um Spritzer und eine Beeinträchtigung der späteren Lötqualität zu vermeiden, denn die Aktivierungstemperatur der meisten Flussmittel liegt bei etwa 150 °C.

    Elektronische Bauteile, die auf die Leiterplatte geklebt wurden, insbesondere große Teile wie BGA- und IO-Steckerteile, sollten ebenfalls langsam erwärmt werden, um sie auf die anschließende hohe Temperatur vorzubereiten. Wenn die Erwärmungsrate in diesem Abschnitt zu schnell ist, führen die übermäßigen Unterschiede zwischen den Innen- und Außentemperaturen der Teile und der WAK der verschiedenen Materialien dazu, dass sich die Teile verformen, und die Verteilung des Kupfers auf der Leiterplatte ist aufgrund der Schaltungsanforderungen oft nicht gleichmäßig gestaltet.

    Vorwärmzone

    Eine zu schnelle Aufheizrate verschlechtert auch die Wärmeabsorptionsrate der verschiedenen Bereiche der Leiterplatte, was zu Unterschieden in der Wärmespannung, Verformungen der Leiterplatte und anderen Problemen führt. Daher wird die Temperaturanstiegsrate in der Vorheizzone des Reflow-Profils in der Regel zwischen 1,5°C und 3°C/Sek. gesteuert, und einige bleifreie Lotpasten erhöhen die Temperaturanstiegsrate auf 5°C/Sek.

    Der rasche Temperaturanstieg trägt zwar dazu bei, dass das Flussmittel schnell die Erweichungstemperatur erreicht und sich schnell ausbreiten und die größte Fläche der Lötstelle bedecken kann, aber er führt auch dazu, dass ein Teil des Aktivators in die Flüssigkeit der eigentlichen Legierung aufgenommen wird.

    Steigt die Temperatur jedoch zu schnell an, kann es aufgrund der thermischen Belastung zu Mikrorissen in Keramikkondensatoren, Verzug durch ungleichmäßige Erwärmung der Leiterplatte, Löchern oder Schäden an IC-Chips kommen, und das Lösungsmittel in der Lotpaste verflüchtigt sich, so dass die Gefahr besteht, dass die Lotpaste zusammenbricht.

    Ein langsamerer Temperaturanstieg lässt mehr Lösungsmittel oder Gas entweichen und bringt das Flussmittel näher an die Lötstelle, wodurch die Möglichkeit der Ausbreitung und des Zusammenfallens verringert wird. Steigt die Temperatur im Reflowprofil jedoch zu langsam an, wird die Lotpaste überoxidiert und die Aktivität des Flussmittels verringert.

    Darüber hinaus gibt es mehrere nachteilige Phänomene im Reflow-Profil, die mit der Erwärmungsgeschwindigkeit der Vorwärmzone zusammenhängen

    Kollabieren

    Beim Reflow-Profil tritt dies hauptsächlich in der Pastenphase auf, bevor die Lotpaste schmilzt. Die Viskosität der Lötpaste nimmt mit steigender Temperatur ab, weil die Moleküle im Material durch die Hitze heftiger vibrieren. Außerdem hatte das Lösungsmittel aufgrund des schnellen Temperaturanstiegs im Reflow-Profil keine Zeit, richtig zu verdampfen, was zu einer Abnahme der Viskosität führt. 

    durch den Temperaturanstieg wird sich das Lösungsmittel verflüchtigen

    Korrekt gesagt, verflüchtigt sich das Lösungsmittel durch den Temperaturanstieg und erhöht die Viskosität, aber das Lösungsmittel verflüchtigt sich proportional zur Zeit und zur Temperatur, d.h. bei einem bestimmten Temperaturanstieg verflüchtigt sich das Lösungsmittel umso mehr, je länger die Zeit ist. Daher ist die Viskosität der Lötpaste mit langsamem Temperaturanstieg höher als die der Lötpaste mit schnellem Temperaturanstieg, und die Lötpaste ist weniger anfällig für einen Kollaps.

    Zinnperlen

    In Reflow-Profil, wenn das Flussmittel schnell verflüchtigt sich in Gas, das schnell entweichen wird. Manchmal spritzt das Zinn hoch auf den äußeren Gürtel, und in den kleinen Chip-Komponenten unter dem Körper der kleinen Lücke wird die Trennung der Lotpaste herausbringen. Weil es keine Schweißunterlage unter den Schweißteilen gibt, die geschmolzene Lotpaste anziehen können. Kombiniert mit dem Gewicht des Teils Körper Extrusion, wird die getrennte geschmolzene Lotpaste aus unter dem Körper des Teils auftauchen und bilden kleine Zinn Perlen an seinem Rand.

    Lötkugeln

    Lötkugeln

    Wenn die Temperatur im Reflow-Profil zu schnell ansteigt, verdampft das Lösungsmittelgas schnell aus der Lötpaste und verursacht Spritzer in der Lötpaste. Eine Verlangsamung der Aufheizgeschwindigkeit kann die Bildung von Lötkugeln wirksam kontrollieren. Eine zu langsame Erwärmung führt jedoch auch zu einer übermäßigen Oxidation und verringert die Aktivität des Flussmittels.

    Lampen-Siphon-Phänomen

    Dieses Phänomen beim Reflow-Profil besteht darin, dass nach dem Benetzen des Stifts durch das Lot das Lot aus dem Lötstellenbereich entlang des Stifts aufsteigt, so dass die Lötstelle nicht genügend Lot oder leeres Lot aufweist. Der mögliche Grund dafür ist, dass sich die Lötpaste in der Schmelzphase befindet und die Temperatur der Bauteilfüße höher ist als die des PCB-Pads. 

    Sie kann verbessert werden, indem die Temperatur an der Unterseite der Leiterplatte erhöht oder die Zeit verlängert wird, in der sich die Lötpaste nahe dem Schmelzpunkt befindet. Am besten ist es, das Temperaturgleichgewicht zwischen den Bauteilfüßen und dem Lötpad zu erreichen, bevor das Lot benetzt wird. Sobald das Lot auf dem Pad benetzt ist, lässt sich die Form des Lots nur noch schwer verändern und wird nicht mehr durch die Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs beeinflusst.

    Schlechte Benetzung

    Zusätzlich zur Oxidation wird eine schlechte Benetzung im Reflow-Profil im Allgemeinen durch eine übermäßige Oxidation des Zinnpulvers während des Reflow-Prozesses verursacht. PCB-Lötprozessdie durch die Verringerung der übermäßigen Wärmeaufnahme der Lötpaste beim Vorwärmen verbessert werden kann.

    Die ideale Reflow-Profilzeit sollte so kurz wie möglich sein. Wenn andere Faktoren eine Verkürzung der Aufheizzeit verhindern, wird empfohlen, eine lineare Temperatur von der Raumtemperatur bis zum Schmelzpunkt der Lötpaste anzunehmen, damit die Möglichkeit der Oxidation des Zinnpulvers während des Reflows verringert werden kann.

    Zinnpulver

    Kopf-im-Kissen

    Die Hauptursache für falsches Schweißen im Reflow-Profil kann das Dochtsiphon-Phänomen oder Nicht-Benetzung sein. Wenn das Docht-Siphon-Phänomen auftritt, bewegt sich das geschmolzene Lot in die höhere Temperaturposition, was zu falschen Lötungen führt. Wenn es sich um ein Nicht-Benetzungsproblem handelt, auch bekannt als die Kopf im Kopfkissen Dieses Phänomen ist darauf zurückzuführen, dass die BGA-Lötkugel zwar in das Lot eingetaucht ist, aber keine echte intermetallische Verbindung (IMC) oder Benetzung gebildet hat. Dieses Problem kann in der Regel durch Verringerung der Oxidation gelöst werden.

    Hohlräume

    Der Hauptgrund dafür ist, dass das Lösungsmittel oder die Feuchtigkeit im Flussmittel schnell oxidiert wird und nicht unmittelbar vor dem Erstarren des Lots entweicht.

    Einweichzone

    Soak-Zone

    Im Reflow-Profil wird dieser Bereich als endothermer Bereich bezeichnet, manche nennen ihn auch "Bereich mit konstanter Temperatur" oder "aktiver Bereich", und die Temperatur dieser nahezu konstanten Temperatur wird in der Regel im Bereich von 150 ± 10 °C gehalten, die Temperatur der bleifreien Lotpaste wird bei etwa 170°C+/-10°C gehalten. Die Hochlauftemperatur liegt in der Regel zwischen 150 und 190 °C. Dieser Bereich des Reflow-Profils befindet sich am Vorabend des Schmelzens der Lotpaste, und die flüchtigen Bestandteile der Lotpaste werden weiter entfernt. 

    Der Aktivator wurde aktiviert und entfernt effektiv die Oxide auf der Lötfläche. Der Hauptzweck dieses Reflow-Profils besteht darin, verschiedene Größen und unterschiedliche Texturen zu erzeugen. Die Temperatur der Bauteile kann eine gleichmäßige Temperatur erreichen, bevor sie in die Reflow-Zone eintreten, so dass der Temperaturunterschied △T an der Leiterplattenoberfläche nahe dem Mindestwert liegt.

    Die Form des Reflow-Profils in dieser Temperaturzone ist annähernd horizontal, und es ist auch ein Fenster für die Bewertung des Reflow-Ofenprozesses. Die Wahl eines Ofens, der ein flaches aktives Reflow-Profil aufrechterhalten kann, wird den Löteffekt verbessern, da es aufgrund des Zeitunterschieds, der durch die unterschiedlichen Schmelzzeiten verursacht wird, nicht so einfach ist, unterschiedliche Spannungen an beiden Enden des Teils zu erzeugen.

    Die Zone mit konstanter Temperatur befindet sich in der Regel zwischen der 2. und 3. Zone des Ofens, und die Zeit wird für etwa 60-120 Sekunden aufrechterhalten. Ist die Zeit zu lang, verflüchtigt sich das Kolophonium übermäßig, was zu einer übermäßigen Oxidation der Lötpaste führt, und die Aktivitäts- und Schutzfunktion geht beim Reflow-Löten verloren. Infolgedessen kommt es nach dem Schweißen zu Problemen wie virtuellem Schweißen, geschwärzten Lötstellenrückständen und stumpfen Lötstellen.

    Wenn die Temperatur in diesem Bereich zu schnell ansteigt, dehnt sich das Kolophonium (Flussmittel) in der Lotpaste aus und verflüchtigt sich schnell. Unter normalen Umständen sollte das Kolophonium langsam aus dem Spalt zwischen der Lotpaste entweichen. Wenn sich das Kolophonium zu schnell verflüchtigt, treten Qualitätsprobleme wie Porosität, gebranntes Zinn und Zinnperlen auf.

    Reflow-Zone

    Reflow-Zone

    Der Reflow-Bereich ist der Bereich mit der höchsten Reflow-Profil-Temperatur im gesamten Abschnitt und wird gewöhnlich als "Zeit über den Flüssigkeiten" bezeichnet. Zu diesem Zeitpunkt wird das Zinn im Lot mit dem Kupfer (Cu) oder Nickel (Ni) auf dem Pad "chemisch reagieren" und eine intermetallische Verbindung Cu5Sn6 oder Ni3Sn4 bilden. 

    Wenn die Lötpaste schmilzt, benetzt sie schnell die Kupferschicht, Zinn- und Kupferatome durchdringen einander an der Grenzfläche, und die Struktur der anfänglichen Sn-Cu-Legierung ist eine gute intermetallische Cu6Sn5-Verbindung (IMC), eine kritische Phase innerhalb des Reflow-Ofens, da Temperaturgradienten in der Baugruppe minimiert werden müssen.

    Die Dicke der IMC ist mit 1-5μm akzeptabel, aber eine zu dicke IMC ist nicht gut, und es wird allgemein empfohlen, sie auf 1-3μm zu kontrollieren. Die TAL muss innerhalb der vom Hersteller der Lotpaste angegebenen Parameter bleiben. In diesem Stadium wird auch die Spitzentemperatur des Produkts erreicht. Wenn die Zeit zu lang ist, wird die IMC dicker und spröde, und der kupferbasierte Boden kann weiterhin schlechte Cu3Sn-IMC erzeugen. Die Platine mit ENIG-Oberflächenbehandlung erzeugt in der Anfangsphase Ni3Sn4-IMC, aber auch sehr wenig Cu6Sn5-Verbindung.

    Es muss darauf geachtet werden, dass die maximale Temperatur und die maximale Erwärmungsrate der temperaturempfindlichen Komponenten auf der Leiterplatte nicht überschritten werden. Ein typischer bleifreier Tantalkondensator hat zum Beispiel eine maximale Temperatur von 260°C für maximal 10 Sekunden. Idealerweise sollten alle Lötstellen auf der Baugruppe die gleiche Spitzentemperatur zur gleichen Zeit und mit der gleichen Geschwindigkeit erreichen, um sicherzustellen, dass alle Teile im Ofen die gleiche Umgebung erfahren.

    Die Spitzentemperatur des Reflow-Profils hängt in der Regel von der Schmelzpunkttemperatur des Lots und der Temperatur ab, die die montierten Teile vertragen können. Im Allgemeinen sollte die Spitzentemperatur etwa 25-30°C höher sein als der normale Schmelzpunkt der Lötpaste, um den Lötvorgang erfolgreich abschließen zu können. Liegt sie unter dieser Temperatur, ist es sehr wahrscheinlich, dass es zu den Nachteilen des Kaltschweißens und der schlechten Benetzung kommt. Die Zeit für den Reflow-Bereich (TAL) wird im Allgemeinen zwischen 30 und 60 Sekunden empfohlen, und einige Hersteller verlangen mehr als 45 Sekunden und weniger als 90 Sekunden.

    Kühlzone

    Nach der Reflow-Zone kühlt das Produkt ab und verfestigt die Lötstellen, so dass sie für die nachfolgenden Montageprozesse bereit sind. Auch die Steuerung der Abkühlgeschwindigkeit ist entscheidend.

    Lötstellen

    Es wird allgemein angenommen, dass die Kühlzone des Reflowprofils schnell abgekühlt werden sollte, um das Lot zu verfestigen. Durch die schnelle Abkühlung kann auch eine feinere Kristallstruktur erzielt werden, die Festigkeit der Lötstellen wird verbessert, die Lötstellen werden glänzend, die Oberfläche ist durchgängig und meniskusförmig, aber der Nachteil ist, dass sich leichter Löcher bilden, weil einige Gase keine Zeit zum Entweichen haben.

    Im Gegensatz dazu führt eine langsame Abkühlung im Reflow-Profil oberhalb des Schmelzpunktes leicht zu einer übermäßigen Bildung von intermetallischen Verbindungen (IMC) und größeren Kristallkörnern, was die Dauerfestigkeit verringert. Bei der Beschleunigung der Abkühlungsgeschwindigkeit muss auf die Schlagfestigkeit der Teile geachtet werden. 

    Die maximale Abkühlungsgeschwindigkeit im Reflow-Profil, die für einen allgemeinen Kondensator zulässig ist, beträgt etwa 4°C/Sek. Eine zu hohe Abkühlungsgeschwindigkeit kann zu Spannungen und Rissen führen. Sie kann auch zu Ablösungen zwischen dem Pad und der Leiterplatte oder zwischen dem Pad und der Lötstelle führen. Im Allgemeinen liegt die empfohlene Abkühlungsgeschwindigkeit im Reflow-Profil zwischen 2 und 5°C/s.

    FAQ

    Das Reflow-Profil bei der Leiterplattenbestückung umfasst vier Hauptblöcke: Vorwärmen, Einweichen, Reflow und Abkühlen.
    Die Vorwärmzone bezieht sich in der Regel auf den Bereich, in dem die Temperatur der Leiterplatte von der Raumtemperatur auf etwa 150-170 °C ansteigt.

    Es wird allgemein angenommen, dass die Kühlzone des Reflowprofils schnell abgekühlt werden sollte, um das Lot zu verfestigen. Durch die schnelle Abkühlung kann auch eine feinere Kristallstruktur erzielt werden, die Festigkeit der Lötstellen wird verbessert, die Lötstellen werden glänzend, die Oberfläche ist durchgängig und meniskusförmig, aber der Nachteil ist, dass sich leichter Löcher bilden, weil einige Gase keine Zeit zum Entweichen haben.

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