Cómo entender el perfil de reflujo de SMT

Cómo entender el perfil de reflujo de SMT

La invención y el perfeccionamiento de la tecnología de montaje superficial (SMT) han contribuido al florecimiento de la industria electrónica. El reflujo es una de las tecnologías más importantes de SMT.
En perfil de reflujo del montaje de placas de circuitos incluye cuatro bloques principales: precalentamiento, remojo, reflujo y enfriamiento. Que se presentarán en detalle en el siguiente pasaje.

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    Zona de precalentamiento

    En el perfil de reflujo, la zona de precalentamiento suele referirse al área donde la temperatura del PCBA se eleva desde la temperatura ambiente a unos 150~170°C. En esta zona, la temperatura debe elevarse lentamente (también conocido como aumento de temperatura de una sola vez) para facilitar la cantidad de pasta de soldadura y el vapor de agua puede volatilizarse a tiempo para evitar salpicaduras y afectar a la calidad de la soldadura posterior, ya que la temperatura de activación de la mayoría de los fundentes se sitúa en torno a los 150°C.

    Las piezas electrónicas que se han pegado en la placa de circuito impreso , especialmente las piezas grandes como BGA y piezas de conectores IO, también deben calentarse lentamente para prepararse para la alta temperatura posterior. Si la velocidad de calentamiento en esta sección es demasiado rápida, las diferencias excesivas de temperaturas internas y externas de las piezas y el CTE de los diferentes materiales provocarán que las piezas se deformen, y la distribución del cobre en la PCB a menudo no se diseña de manera uniforme debido a los requisitos del circuito.

    zona de precalentamiento

    Una velocidad de calentamiento demasiado rápida también deteriorará la velocidad de absorción de calor de las distintas zonas de la placa, lo que provocará diferencias de tensión térmica, distorsión de la placa y otros problemas. Por lo tanto, la velocidad de aumento de la temperatura en la zona de precalentamiento del perfil de reflujo suele controlarse entre 1,5°C y 3°C/seg, y algunas pastas de soldadura sin plomo aumentan la velocidad de aumento de la temperatura a 5°C/seg.

    Aunque el rápido aumento de temperatura ayuda al fundente a alcanzar rápidamente la temperatura de reblandecimiento y permite que se extienda rápidamente y cubra la mayor superficie de la unión soldada, también permite que parte del activador se incorpore al líquido de la aleación real.

    Sin embargo, si la temperatura aumenta demasiado rápido, debido al efecto de la tensión térmica, puede causar microfisuras en los condensadores cerámicos, alabeo causado por el calentamiento desigual de la placa de circuito impreso, huecos o daños en los chips de CI, y el disolvente de la pasta de soldadura se volatilizará, con el consiguiente peligro de colapso de la pasta de soldadura.

    Una rampa de temperatura más lenta permite una mayor volatilización del disolvente o la salida del gas, y también acerca el fundente a la unión soldada, reduciendo la posibilidad de que se extienda y colapse. Sin embargo, si la temperatura en el perfil de reflujo sube demasiado despacio, la pasta de soldadura se sobreoxidará y se reducirá la actividad del fundente.

    Además, hay varios fenómenos adversos en el perfil de reflujo que están relacionados con la velocidad de calentamiento de la zona de precalentamiento, a saber

    Colapso

    En el perfil de reflujo, esto ocurre principalmente en la fase de pasta, antes de que ésta se funda. La viscosidad de la pasta de soldadura disminuirá a medida que aumente la temperatura, porque el aumento de la temperatura hace que las moléculas del material vibren más violentamente debido al calor. Además, el disolvente no tiene tiempo de evaporarse correctamente debido al rápido aumento de la temperatura en el perfil de reflujo, lo que provoca la disminución de la viscosidad. 

    el aumento de temperatura hará que el disolvente se volatilice

    Hablando correctamente, el aumento de la temperatura hará que el disolvente se volatilice, y aumentará la viscosidad, pero la volatilización del disolvente es proporcional al tiempo y la temperatura, es decir, dado un cierto aumento de la temperatura, cuanto más largo sea el tiempo, más disolvente se volatilizará. Por lo tanto, la viscosidad de la pasta de soldadura con aumento lento de la temperatura será mayor que la de la pasta de soldadura con aumento rápido de la temperatura, y la pasta de soldadura será menos propensa al colapso.

    Cuentas de estaño

    En el perfil de reflujo, cuando el flujo se volatiliza rápidamente en gas, que se escapará rápidamente. A veces, el estaño de alta salpicaduras a la banda exterior, y en los pequeños componentes de chip por debajo del cuerpo de la pequeña brecha sacará a la separación de la pasta de soldadura. Debido a que no hay almohadilla de soldadura por debajo de las piezas de soldadura trasera, que puede atraer a la pasta de soldadura fundida. Combinado con el peso de la extrusión del cuerpo de la pieza, la pasta de soldadura fundida separada saldrá de debajo del cuerpo de la pieza y formará pequeñas perlas de estaño en su borde.

    Bolas de soldadura

    Bolas de soldadura

    En el perfil de reflujo, cuando la temperatura aumenta demasiado rápido, el gas disolvente se evaporará rápidamente de la pasta de soldadura y provocará salpicaduras de la pasta de soldadura. Reducir la velocidad de calentamiento puede controlar eficazmente la generación de bolas de soldadura. Pero un calentamiento demasiado lento también provocará una oxidación excesiva y reducirá la actividad del fundente.

    Fenómeno del sifón de la lámpara

    Este fenómeno en el perfil de reflujo consiste en que después de que la soldadura moje la patilla, la soldadura sube desde la zona de la junta de soldadura a lo largo de la patilla, de modo que la junta de soldadura tiene soldadura insuficiente o vacía. La posible razón es que la pasta de soldadura está en la etapa de fusión, y la temperatura de los pies del componente es mayor que la de la almohadilla de PCB. 

    Se puede mejorar aumentando la temperatura en la parte inferior de la placa de circuito impreso o prolongando el tiempo en que la pasta de soldadura está cerca del punto de fusión. Lo mejor es alcanzar el equilibrio de temperatura entre los pies de los componentes y el pad de soldadura antes de humedecer la soldadura. Una vez que la soldadura se ha humedecido en la almohadilla, la forma de la soldadura es difícil de cambiar, y ya no se ve afectada por la velocidad de aumento de la temperatura.

    Humectación deficiente

    Además de la oxidación, la mala humectación en el perfil de reflujo suele estar causada por una oxidación excesiva del polvo de estaño durante Proceso de soldadura de PCBque puede mejorarse reduciendo el calor excesivo absorbido por la pasta de soldadura durante el precalentamiento.

    El tiempo ideal del perfil de reflujo debe ser lo más corto posible. Si existen otros factores que impidan acortar el tiempo de calentamiento, se recomienda adoptar una temperatura lineal desde la temperatura ambiente hasta el punto de fusión de la pasta de soldadura, de modo que pueda reducirse la posibilidad de oxidación del polvo de estaño durante el reflujo.

    estaño en polvo

    Cabeza en almohada

    La causa principal de la falsa soldadura en el perfil de reflujo puede ser el fenómeno de sifón de mecha o la falta de humectación. Cuando se produce el fenómeno de sifón de mecha, la soldadura fundida se desplazará a la posición de temperatura más alta, dando lugar a una soldadura falsa. Si se trata de un problema de no humectación, también conocido como el cabeza en almohada efecto, este fenómeno consiste en que la bola de soldadura BGA se ha sumergido en la soldadura, pero no ha formado un verdadero compuesto intermetálico (IMC) o humectación. Este problema suele solucionarse reduciendo la oxidación.

    Vacíos

    La razón principal es que el disolvente o la humedad del fundente se oxidan rápidamente y no salen inmediatamente antes de que se solidifique la soldadura.

    Zona de remojo

    zona de remojo

    En el perfil de reflujo, esta zona se denomina zona endotérmica, y algunas personas la llaman "zona de temperatura constante" o "zona activa", y la temperatura de esta temperatura casi constante suele mantenerse en la región de 150 ± 10 °C, la temperatura de la pasta de soldadura sin plomo se mantiene a unos 170°C+/-10°C. La temperatura de aumento suele situarse entre 150 y 190 °C. Esta zona del perfil de reflujo está en vísperas de la fusión de la pasta de soldadura, y los volátiles de la pasta de soldadura se eliminarán aún más. 

    El activador se ha activado y elimina eficazmente los óxidos de la superficie de soldadura. El objetivo principal de este perfil de reflujo es realizar diferentes tamaños y diferentes texturas. La temperatura de los componentes puede alcanzar una temperatura constante antes de entrar en la zona de reflujo, de modo que la diferencia de temperatura de la superficie de la placa △T se aproxime al valor mínimo.

    La forma del perfil de reflujo en esta zona de temperatura es cercana a la horizontal, y es también una ventana para evaluar el proceso del horno de reflujo. Elegir un horno que pueda mantener un perfil de reflujo activo plano mejorará el efecto de la soldadura, ya que no es fácil debido a la diferencia de tiempo causada por los diferentes tiempos de fusión, habrá menos problemas de diferentes tensiones en ambos extremos de la pieza.

    La zona de temperatura constante suele estar entre la 2ª y la 3ª zona del horno, y el tiempo se mantiene durante unos 60-120s. Si el tiempo es demasiado largo, la colofonia se volatilizará en exceso, y se causará el problema de la oxidación excesiva de la pasta de soldadura, y se perderá la función de actividad y protección durante la soldadura por reflujo. Como resultado, después de la soldadura se producen problemas como la soldadura virtual, residuos ennegrecidos de la unión de soldadura y uniones de soldadura sin brillo.

    Si la temperatura en esta zona aumenta demasiado rápido, la colofonia (fundente) de la pasta de soldadura se expandirá y volatilizará rápidamente. En circunstancias normales, la colofonia debería escapar lentamente del espacio entre la pasta de soldadura. Si la colofonia se volatiliza demasiado rápido, se producirán problemas de calidad como porosidad, estaño frito y perlas de estaño.

    Zona de reflujo

    Zona de reflujo

    La zona de reflujo es el área con la temperatura de perfil de reflujo más alta de toda la sección, y suele denominarse "tiempo sobre líquidos". En este momento, el estaño de la soldadura "reaccionará químicamente" con el cobre (Cu) o el níquel (Ni) de la almohadilla para formar un compuesto intermetálico Cu5Sn6 o Ni3Sn4. 

    Tomemos como ejemplo el tratamiento superficial de la OSP (película protectora orgánica), cuando la pasta de soldadura se funde, mojará rápidamente la capa de cobre, los átomos de estaño y los átomos de cobre penetran unos en otros en la interfaz, y la estructura de la aleación Sn-Cu inicial es un buen compuesto intermetálico (IMC) Cu6Sn5, una etapa crítica dentro del horno de reflujo, ya que los gradientes de temperatura a través del conjunto deben reducirse al mínimo.

    El espesor de IMC es aceptable en 1-5μm, pero un IMC demasiado grueso no es bueno, y generalmente se recomienda controlarlo en 1-3μm como el mejor. La TAL debe permanecer dentro de los parámetros especificados por el fabricante de la pasta de soldadura. La temperatura pico del producto también se alcanza en esta etapa. Si el tiempo es demasiado largo, el IMC se volverá más grueso y quebradizo, y el suelo con base de cobre puede seguir generando IMC malo Cu3Sn. La placa con tratamiento superficial ENIG generará IMC Ni3Sn4 en la etapa inicial, pero también generará muy poco compuesto Cu6Sn5.

    Hay que tener cuidado de no sobrepasar la temperatura máxima y la velocidad de calentamiento de cualquier componente sensible a la temperatura de la placa de circuito impreso. Por ejemplo, un condensador de tantalio sin plomo típico tiene una temperatura máxima de 260°C durante un máximo de 10 segundos. Lo ideal es que todas las juntas de soldadura del conjunto alcancen la misma temperatura máxima al mismo tiempo y a la misma velocidad para garantizar que todas las piezas experimentan el mismo entorno en el horno.

    La temperatura pico del perfil de reflujo suele depender de la temperatura del punto de fusión de la soldadura y de la temperatura que pueden soportar las piezas ensambladas. Por lo general, la temperatura de pico debe ser de unos 25~30°C superior al punto de fusión normal de la pasta de soldadura para completar con éxito la operación de soldadura. Si es inferior a esta temperatura, es muy probable que se produzcan los inconvenientes de la soldadura en frío y la mala humectación. El tiempo del área de reflujo (TAL) suele recomendarse entre 30s y 60s, y algunos fabricantes exigen más de 45s y menos de 90s.

    Zona de refrigeración

    Tras la zona de reflujo, el producto se enfría y solidifica las juntas de soldadura, listas para los procesos de montaje posteriores. Controlar la velocidad de enfriamiento también es fundamental.

    juntas de soldadura

    Generalmente se cree que la zona de enfriamiento del perfil de reflujo debe enfriarse rápidamente para solidificar la soldadura. El enfriamiento rápido también puede obtener una estructura cristalina más fina, mejorar la resistencia de las juntas de soldadura, hacer que las juntas de soldadura sean brillantes y que la superficie sea continua y en forma de menisco, pero la desventaja es que es más fácil que se formen agujeros porque algunos gases no tienen tiempo de escapar.

    Por el contrario, un enfriamiento lento en el perfil de reflujo por encima del punto de fusión conducirá fácilmente a una generación excesiva de compuestos intermetálicos (IMC) y granos de cristal más grandes, lo que reducirá la resistencia a la fatiga. Al acelerar la velocidad de enfriamiento, hay que prestar atención a la resistencia al impacto de las piezas. 

    La velocidad máxima de enfriamiento en el perfil de reflujo que permite un condensador general es de unos 4°C/seg. Una velocidad de enfriamiento excesiva puede provocar tensiones y grietas. También puede causar descascarillado entre la almohadilla y la placa de circuito impreso o entre la almohadilla y la junta de soldadura. Generalmente, la velocidad de enfriamiento recomendada en el perfil de reflujo está entre 2 y 5°C/s.

    PREGUNTAS FRECUENTES

    El perfil de reflujo del montaje de placas de circuito incluye cuatro bloques principales: precalentamiento, remojo, reflujo y enfriamiento.
    La zona de precalentamiento suele referirse al área donde la temperatura del PCBA aumenta desde la temperatura ambiente a unos 150~170°C.

    Generalmente se cree que la zona de enfriamiento del perfil de reflujo debe enfriarse rápidamente para solidificar la soldadura. El enfriamiento rápido también puede obtener una estructura cristalina más fina, mejorar la resistencia de las juntas de soldadura, hacer que las juntas de soldadura sean brillantes y que la superficie sea continua y en forma de menisco, pero la desventaja es que es más fácil que se formen agujeros porque algunos gases no tienen tiempo de escapar.

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