Come capire il profilo di riflusso di SMT

Come capire il profilo di riflusso di SMT

L'invenzione e il perfezionamento della tecnologia di montaggio superficiale (SMT) hanno contribuito alla fioritura dell'industria elettronica. Il riflusso è una delle tecnologie più importanti della SMT.
Il profilo di riflusso L'assemblaggio dei circuiti stampati comprende quattro blocchi principali: preriscaldamento, immersione, riflusso e raffreddamento. Che verranno introdotti in dettaglio nel passaggio successivo.

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    Zona di preriscaldamento

    Nel profilo di riflusso, la zona di preriscaldamento si riferisce di solito all'area in cui la temperatura del PCBA sale dalla temperatura ambiente a circa 150~170°C. In quest'area, la temperatura deve essere aumentata lentamente (nota anche come aumento della temperatura una tantum) per facilitare la quantità di pasta saldante e il vapore acqueo può essere volatilizzato in tempo per evitare schizzi e compromettere la qualità della saldatura successiva, poiché la temperatura di attivazione della maggior parte dei flussanti si aggira intorno ai 150°C.

    Anche le parti elettroniche che sono state incollate sul PCB, soprattutto quelle di grandi dimensioni come le BGA e i connettori IO, devono essere riscaldate lentamente per prepararsi alle successive alte temperature. Se la velocità di riscaldamento in questa sezione è troppo elevata, le differenze eccessive tra le temperature interne ed esterne delle parti e il CTE dei diversi materiali causeranno la deformazione delle parti e la distribuzione del rame sul PCB spesso non è progettata in modo uniforme a causa dei requisiti del circuito.

    zona di preriscaldamento

    Una velocità di riscaldamento troppo elevata peggiora anche il tasso di assorbimento del calore delle diverse aree della scheda, con conseguenti differenze di stress termico, distorsione della scheda e altri problemi. Pertanto, la velocità di aumento della temperatura nella zona di preriscaldamento del profilo di riflusso è solitamente controllata tra 1,5°C e 3°C/sec, mentre alcune paste saldanti senza piombo aumentano la velocità di aumento della temperatura a 5°C/sec.

    Sebbene il rapido aumento di temperatura aiuti il flussante a raggiungere rapidamente la temperatura di rammollimento e gli consenta di diffondersi rapidamente e di coprire la maggior parte dell'area del giunto di saldatura, esso consente anche di incorporare parte dell'attivatore nel liquido della lega attuale.

    Tuttavia, se la temperatura sale troppo velocemente, per effetto dello stress termico, può causare microfratture nei condensatori ceramici, deformazioni causate da un riscaldamento non uniforme del PCB, vuoti o danni ai chip IC, nonché la volatilizzazione del solvente nella pasta saldante e il pericolo di collasso della pasta saldante.

    Una rampa di temperatura più lenta consente una maggiore volatilizzazione del solvente o la fuoriuscita di gas e avvicina il flussante al giunto di saldatura, riducendo la possibilità di spandimento e collasso. Tuttavia, se la temperatura nel profilo di riflusso aumenta troppo lentamente, la pasta saldante si ossida eccessivamente e l'attività del flussante si riduce.

    Inoltre, nel profilo di riflusso si verificano diversi fenomeni negativi legati alla velocità di riscaldamento della zona di preriscaldamento, come di seguito illustrato.

    Crollo

    Nel profilo di riflusso, ciò si verifica principalmente nella fase di pasta, prima che la pasta saldante si sciolga. La viscosità della pasta saldante diminuisce all'aumentare della temperatura, perché l'aumento della temperatura fa vibrare più violentemente le molecole del materiale a causa del calore. Inoltre, il solvente non ha avuto il tempo di evaporare correttamente a causa del rapido aumento della temperatura nel profilo di rifusione, portando così alla diminuzione della viscosità. 

    l'aumento di temperatura farà volatilizzare il solvente

    Correttamente, l'aumento di temperatura fa volatilizzare il solvente e aumenta la viscosità, ma la volatilizzazione del solvente è proporzionale al tempo e alla temperatura, cioè, dato un certo aumento di temperatura, più lungo è il tempo, più il solvente volatilizza. Pertanto, la viscosità della pasta saldante con un lento aumento di temperatura sarà superiore a quella della pasta saldante con un rapido aumento di temperatura e la pasta saldante sarà meno soggetta a collasso.

    Perline di stagno

    Nel profilo di riflusso, quando il flusso si volatilizza rapidamente in gas, che fuoriesce rapidamente. A volte lo stagno schizza verso la cintura esterna, e nei piccoli componenti chip sotto il corpo del piccolo divario porterà alla separazione della pasta saldante. Perché non c'è un cuscinetto di saldatura sotto le parti di saldatura posteriore, che può attirare la pasta saldante fusa. In combinazione con il peso dell'estrusione del corpo del pezzo, la pasta saldante fusa separata emergerà da sotto il corpo del pezzo e formerà piccole perle di stagno sul suo bordo.

    Sfere a saldare

    Sfere a saldare

    Nel profilo di riflusso, quando la temperatura aumenta troppo velocemente, il gas solvente evapora rapidamente dalla pasta saldante e provoca schizzi di pasta saldante. Rallentando la velocità di riscaldamento si può controllare efficacemente la generazione di sfere di saldatura. Tuttavia, un riscaldamento troppo lento provoca un'ossidazione eccessiva e riduce l'attività del flussante.

    Fenomeno del sifone della lampada

    Questo fenomeno nel profilo di riflusso è dovuto al fatto che, dopo che la saldatura bagna il perno, la saldatura risale dall'area del giunto di saldatura lungo il perno, per cui il giunto di saldatura presenta una quantità di saldatura insufficiente o vuota. La possibile ragione è che la pasta saldante è in fase di fusione e la temperatura dei piedini dei componenti è superiore a quella della piazzola del PCB. 

    Il risultato può essere migliorato aumentando la temperatura sul fondo del PCB o prolungando il tempo in cui la pasta saldante è vicina al punto di fusione. È meglio raggiungere l'equilibrio di temperatura tra i piedini dei componenti e la piazzola di saldatura prima che la saldatura venga bagnata. Una volta che la saldatura è stata bagnata sulla piazzola, la forma della saldatura è difficile da modificare e non è più influenzata dalla velocità di aumento della temperatura.

    Scarsa bagnatura

    Oltre all'ossidazione, una scarsa bagnatura nel profilo di riflusso è generalmente causata da un'eccessiva ossidazione della polvere di stagno durante il processo di rifusione. Processo di saldatura dei PCBche può essere migliorato riducendo l'eccessivo calore assorbito dalla pasta saldante durante il preriscaldamento.

    Il tempo ideale del profilo di riflusso dovrebbe essere il più breve possibile. Se altri fattori impediscono di ridurre il tempo di riscaldamento, si raccomanda di adottare una temperatura lineare dalla temperatura ambiente al punto di fusione della pasta saldante, in modo da ridurre la possibilità di ossidazione della polvere di stagno durante il riflusso.

    stagno in polvere

    Testa nel cuscino

    La causa principale della falsa saldatura nel profilo di riflusso può essere dovuta al fenomeno del sifone dello stoppino o alla mancata bagnatura. Quando si verifica il fenomeno di sifone dello stoppino, la saldatura fusa si sposta nella posizione di temperatura più alta, dando luogo a false saldature. Se si tratta di un problema di non bagnatura, noto anche come fenomeno di testa nel cuscino Questo fenomeno è dovuto al fatto che la sfera di saldatura BGA è stata immersa nella saldatura, ma non ha formato un vero composto intermetallico (IMC) o una bagnatura. Questo problema può essere generalmente risolto riducendo l'ossidazione.

    Vuoti

    Il motivo principale è che il solvente o l'umidità del flussante si ossida rapidamente e non fuoriesce immediatamente prima che la saldatura si solidifichi.

    Zona di immersione

    zona di immersione

    Nel profilo di riflusso, quest'area è chiamata area endotermica, e alcuni la chiamano "area a temperatura costante" o "area attiva"; la temperatura di quest'area a temperatura quasi costante è solitamente mantenuta a 150 ± 10 °C, mentre la temperatura della pasta saldante senza piombo è mantenuta a circa 170°C+/-10°C. La temperatura di rampa di salita è solitamente compresa tra 150 e 190°C. Questa zona del profilo di riflusso è alla vigilia della fusione della pasta saldante e i volatili presenti nella pasta saldante saranno ulteriormente rimossi. 

    L'attivatore è stato attivato e rimuove efficacemente gli ossidi sulla superficie di saldatura. Lo scopo principale di questo profilo di riflusso è quello di ottenere dimensioni e strutture diverse. La temperatura dei componenti può raggiungere una temperatura costante prima di entrare nella zona di riflusso, in modo che la differenza di temperatura superficiale della scheda △T sia vicina al valore minimo.

    La forma del profilo di riflusso in questa zona di temperatura è prossima all'orizzontale ed è anche una finestra per la valutazione del processo del forno di riflusso. La scelta di un forno in grado di mantenere un profilo di riflusso attivo piatto migliorerà l'effetto di saldatura, poiché non è facile a causa della differenza di tempo causata dai diversi tempi di fusione, ci saranno meno problemi di sollecitazioni diverse alle due estremità del pezzo.

    La zona a temperatura costante è solitamente compresa tra la seconda e la terza zona del forno e il tempo viene mantenuto per circa 60-120s. Se il tempo è troppo lungo, la colofonia verrà volatilizzata eccessivamente, causando il problema dell'eccessiva ossidazione della pasta saldante e la perdita della funzione di attività e protezione durante la saldatura a riflusso. Di conseguenza, dopo la saldatura si verificano problemi quali saldatura virtuale, residui di saldatura anneriti e giunti di saldatura opachi.

    Se la temperatura in quest'area aumenta troppo rapidamente, la colofonia (fondente) della pasta saldante si espande e si volatilizza rapidamente. In circostanze normali, la colofonia dovrebbe fuoriuscire lentamente dallo spazio tra la pasta saldante. Quando la colofonia volatilizza troppo velocemente, si verificano problemi di qualità come porosità, stagno fritto e perle di stagno.

    Zona di riflusso

    Zona di riflusso

    L'area di riflusso è l'area con la temperatura del profilo di riflusso più alta dell'intera sezione e viene solitamente chiamata "tempo sopra i liquidi". A questo punto, lo stagno della saldatura "reagisce chimicamente" con il rame (Cu) o il nichel (Ni) della piazzola, formando un composto intermetallico Cu5Sn6 o Ni3Sn4. 

    Prendiamo ad esempio il trattamento superficiale dell'OSP (Organic Protective Film): quando la pasta saldante si scioglie, bagna rapidamente lo strato di rame, gli atomi di stagno e di rame penetrano l'uno nell'altro sull'interfaccia e la struttura della lega iniziale Sn-Cu è un buon composto intermetallico Cu6Sn5 (IMC), una fase critica all'interno del forno di riflusso, poiché i gradienti di temperatura attraverso l'assemblaggio devono essere ridotti al minimo.

    Lo spessore dell'IMC è accettabile a 1-5μm, ma un IMC troppo spesso non va bene, e in genere si raccomanda di controllarlo a 1-3μm, come il migliore. Il TAL deve rimanere entro i parametri specificati dal produttore della pasta saldante. In questa fase si raggiunge anche la temperatura di picco del prodotto. Se il tempo è troppo lungo, l'IMC diventerà più spessa e fragile e il pavimento a base di rame potrebbe continuare a generare IMC scadente Cu3Sn. Il pannello con trattamento superficiale ENIG genererà Ni3Sn4 IMC nella fase iniziale, ma genererà anche pochissimo composto Cu6Sn5.

    È necessario prestare attenzione a non superare la temperatura massima e la capacità di riscaldamento di qualsiasi componente sensibile alla temperatura sul PCB. Ad esempio, un tipico condensatore al tantalio senza piombo ha una temperatura massima di 260°C per un massimo di 10 secondi. Idealmente, tutti i giunti di saldatura dell'assemblaggio dovrebbero raggiungere la stessa temperatura di picco nello stesso momento e alla stessa velocità, per garantire che tutti i componenti sperimentino lo stesso ambiente nel forno.

    La temperatura di picco del profilo di riflusso dipende solitamente dalla temperatura del punto di fusione della saldatura e dalla temperatura che le parti assemblate possono sopportare. In genere, la temperatura di picco dovrebbe essere di circa 25~30°C superiore al normale punto di fusione della pasta saldante per completare con successo l'operazione di saldatura. Se è inferiore a questa temperatura, è molto probabile che si verifichino gli inconvenienti della saldatura a freddo e della scarsa bagnatura. Il tempo di riflusso (TAL) è generalmente consigliato tra i 30 e i 60 anni, mentre alcuni produttori richiedono più di 45 e meno di 90 anni.

    Zona di raffreddamento

    Dopo la zona di riflusso, il prodotto si raffredda e solidifica i giunti di saldatura, pronti per i successivi processi di assemblaggio. Anche il controllo della velocità di raffreddamento è fondamentale.

    giunti a saldare

    In genere si ritiene che la zona di raffreddamento del profilo di riflusso debba essere raffreddata rapidamente per solidificare la saldatura. Il raffreddamento rapido consente di ottenere una struttura cristallina più fine, di migliorare la resistenza dei giunti di saldatura, di renderli brillanti e di ottenere una superficie continua e a forma di menisco, ma lo svantaggio è che è più facile che si formino dei fori perché alcuni gas non hanno il tempo di uscire.

    Al contrario, un raffreddamento lento nel profilo di rifusione al di sopra del punto di fusione porterà facilmente a un'eccessiva generazione di composti intermetallici (IMC) e a grani di cristallo più grandi, che ridurranno la resistenza alla fatica. Nell'accelerare la velocità di raffreddamento, è necessario prestare attenzione alla resistenza agli urti dei pezzi. 

    La velocità massima di raffreddamento nel profilo di riflusso consentita da un condensatore generico è di circa 4°C/sec. Una velocità di raffreddamento eccessiva può causare tensioni e crepe. Può anche causare il distacco tra la piazzola e il PCB o tra la piazzola e il giunto di saldatura. In generale, la velocità di raffreddamento consigliata nel profilo di riflusso è compresa tra 2 e 5°C/s.

    FAQ

    Il profilo di riflusso dell'assemblaggio di schede a circuito comprende quattro blocchi principali: preriscaldamento, immersione, riflusso e raffreddamento.
    La zona di preriscaldamento di solito si riferisce all'area in cui la temperatura del PCBA aumenta dalla temperatura ambiente a circa 150~170°C.

    In genere si ritiene che la zona di raffreddamento del profilo di riflusso debba essere raffreddata rapidamente per solidificare la saldatura. Il raffreddamento rapido consente di ottenere una struttura cristallina più fine, di migliorare la resistenza dei giunti di saldatura, di renderli brillanti e di ottenere una superficie continua e a forma di menisco, ma lo svantaggio è che è più facile che si formino dei fori perché alcuni gas non hanno il tempo di uscire.

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