Como entender o perfil de refusão do SMT

Como entender o perfil de refusão do SMT

A invenção e o refinamento da tecnologia de montagem de superfície (SMT) têm contribuído para o florescimento da indústria eletrônica. O refluxo é uma das tecnologias mais importantes na SMT.
O perfil de refusão de montagem de placas de circuito impresso inclui quatro blocos principais: pré-aquecimento, embebição, reflow e resfriamento. Que será introduzido em detalhes na passagem seguinte.

Tabela de Conteúdos
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    Zona de pré-aquecimento

    No perfil de refluxo, a zona de pré-aquecimento geralmente se refere à área onde a temperatura do PCBA sobe da temperatura ambiente em torno de 150~170°C. Nesta área, a temperatura deve ser elevada lentamente (também conhecida como elevação única da temperatura) para facilitar o quantidade de pasta de solda e o vapor de água pode ser volatilizado a tempo para evitar salpicos e afetar a qualidade da solda subseqüente, pois a temperatura de ativação da maioria dos fluxos cai em torno de 150°C.

    As peças eletrônicas que foram coladas na placa de circuito impresso, especialmente as peças grandes como as peças de conector BGA e IO, também devem ser aquecidas lentamente para se preparar para a temperatura alta subseqüente. Se a taxa de aquecimento nesta seção for muito rápida, as diferenças excessivas de temperaturas internas e externas das peças e o CTE de diferentes materiais causarão deformações nas peças, e a distribuição de cobre sobre a PCB muitas vezes não é projetada uniformemente devido aos requisitos do circuito.

    pré-aquecimento-zona

    Uma taxa de aquecimento muito rápida também deteriorará a taxa de absorção de calor de diferentes áreas da placa, resultando em diferenças de tensão térmica, distorção da placa e outros problemas. Portanto, a taxa de aumento de temperatura na zona de pré-aquecimento do perfil de refluxo é normalmente controlada entre 1,5°C e 3°C/seg, e algumas pastas de solda sem chumbo aumentam a taxa de aumento de temperatura para 5°C/seg.

    Embora o rápido aumento da temperatura ajude o fluxo a atingir rapidamente a temperatura de amolecimento e permita que ele se espalhe rapidamente e cubra a maior área da junta de solda, também permite que parte do ativador seja incorporada ao líquido da liga real.

    Entretanto, se a temperatura subir muito rápido, devido ao efeito do estresse térmico, pode causar micro fissuras nos capacitores de cerâmica, deformação causada pelo aquecimento desigual da placa de circuito impresso, vazios ou danos aos chips de CI, e o solvente na pasta de solda irá volatilizar-se, e o perigo de colapso da pasta de solda.

    Uma rampa de temperatura mais lenta permite que mais volatilização do solvente ou gás escape, e também aproxima o fluxo da junta de solda, reduzindo a possibilidade de espalhamento e colapso. Entretanto, se a temperatura no perfil de refluxo subir muito lentamente, a pasta de solda será sobre-oxidada e a atividade do fluxo será reduzida.

    Além disso, há vários fenômenos adversos no perfil de refluxo estão relacionados com a velocidade de aquecimento da zona de pré-aquecimento, como a seguir

    Colapso

    No perfil de refusão, isto ocorre principalmente na etapa de pasta antes que a pasta de solda derreta. A viscosidade da pasta de solda diminui à medida que a temperatura aumenta, pois o aumento da temperatura faz com que as moléculas no material vibrem mais violentamente devido ao calor. Além disso, o solvente não teve tempo para evaporar adequadamente devido ao rápido aumento da temperatura no perfil de refluxo, levando assim à diminuição da viscosidade. 

    o aumento de temperatura fará o solvente volatilizar-se

    Corretamente falando, o aumento de temperatura fará o solvente volatilizar-se e aumentar a viscosidade, mas o solvente volatilizar-se é proporcional ao tempo e à temperatura, ou seja, dado um certo aumento de temperatura, quanto mais longo o tempo, mais solvente volatilizar-se. Portanto, a viscosidade da pasta de solda com aumento lento da temperatura será maior do que a da pasta de solda com aumento rápido da temperatura, e a pasta de solda será menos propensa a colapsar.

    Contas de estanho

    No perfil de refluxo, quando o fluxo se volatiliza rapidamente em gás, que escapará rapidamente. Às vezes, o respingo alto de estanho para a esteira externa, e nos pequenos componentes do chip abaixo do corpo da pequena fenda, fará sair a separação da pasta de solda. Porque não há almofada de solda abaixo das partes de solda posteriores, o que pode atrair a pasta de solda derretida. Combinado com o peso da extrusão do corpo da peça, a pasta de solda fundida separada sairá de debaixo do corpo da peça e formará pequenos grânulos de estanho em sua borda.

    Bolas de solda

    Bolas de solda

    No perfil de refluxo, quando a temperatura aumenta muito rápido, o gás solvente evaporará rapidamente da pasta de solda e causará salpicos da pasta de solda. A diminuição da taxa de aquecimento pode controlar efetivamente a geração de bolas de solda. Mas o aquecimento muito lento também levará à oxidação excessiva e reduzirá a atividade do fluxo.

    Fenômeno do sifão da lâmpada

    Este fenômeno no perfil de refusão é que depois que a solda molha o pino, a solda sobe da área da junta de solda ao longo do pino, de modo que a junta de solda tenha solda insuficiente ou solda vazia. A razão possível é que a pasta de solda está na fase de fusão, e a temperatura dos pés dos componentes é mais alta do que a da placa de circuito impresso. 

    Pode ser melhorado aumentando a temperatura no fundo do PCB ou prolongando o tempo em que a pasta de solda está perto do ponto de fusão. É melhor alcançar o equilíbrio de temperatura entre os pés dos componentes e a base de solda antes que a solda seja molhada. Uma vez que a solda tenha sido molhada na almofada, a forma da solda é difícil de mudar, e não é mais afetada pela taxa de aumento de temperatura.

    Umedecimento deficiente

    Além da oxidação, o mau molhamento no perfil de refluxo é geralmente causado pela oxidação excessiva do pó de estanho durante Processo de soldagem de PCBque pode ser melhorado reduzindo o calor excessivo absorvido pela pasta de solda durante o pré-aquecimento.

    O tempo ideal do perfil de refluxo deve ser o mais curto possível. Se existem outros fatores que impedem que o tempo de aquecimento seja reduzido, recomenda-se adotar uma temperatura linear desde a temperatura ambiente até o ponto de fusão da pasta de solda, de modo que a possibilidade de oxidação do pó de estanho possa ser reduzida durante o refluxo.

    pó de estanho

    Head-in-pillow

    A principal causa da falsa soldagem no perfil de refluxo pode ser causada pelo fenômeno do sifão do pavio ou pela não molhagem. Quando ocorre o fenômeno do sifão de pavio, a solda derretida se moverá para a posição de temperatura mais alta, resultando em falsa soldagem. Se for um problema de não umedecer, também conhecido como cabeça em travesseiro efeito, este fenômeno é que a bola de solda BGA foi imersa na solda, mas não formou um verdadeiro composto intermetálico (IMC) ou umedecimento. Este problema geralmente pode ser resolvido através da redução da oxidação.

    Vácuos

    A principal razão é que o solvente ou umidade no fluxo é rapidamente oxidado e não escapa imediatamente antes que a solda se solidifique.

    Zona de imersão

    soak-zone

    No perfil de refluxo, esta área é chamada de área endotérmica, e algumas pessoas a chamam de "área de temperatura constante" ou "área ativa", e a temperatura desta temperatura quase constante é normalmente mantida a 150 ± 10 °C região, a temperatura da pasta de solda sem chumbo é mantida a cerca de 170°C+/-10°C. A temperatura de rampa geralmente cai entre 150 e 190°C. Esta zona de perfil de refusão está na véspera da fusão da pasta de solda, e os voláteis da pasta de solda serão removidos ainda mais. 

    O ativador foi ativado e remove efetivamente os óxidos na superfície de solda. O principal objetivo deste perfil de refluxo é fazer diferentes tamanhos e diferentes texturas. A temperatura dos componentes pode atingir uma temperatura consistente antes de entrar na zona de refusão, de modo que a diferença de temperatura da superfície da placa △T esteja próxima do valor mínimo.

    A forma do perfil de refluxo nesta zona de temperatura é próxima à horizontal, e é também uma janela para avaliar o processo de refusão do forno. A escolha de um forno que possa manter um perfil de refluxo ativo plano irá melhorar o efeito de soldagem, pois não é fácil devido à diferença de tempo causada pelos diferentes tempos de fusão, haverá menos problemas de tensões diferentes em ambas as extremidades da peça.

    A zona de temperatura constante é normalmente entre a 2ª e 3ª zonas do forno, e o tempo é mantido por cerca de 60-120s. Se o tempo for muito longo, a colofónia será volatilizada excessivamente, e o problema de oxidação excessiva da pasta de solda será causado, e a atividade e a função de proteção serão perdidas durante a soldagem de refluxo. Como resultado, problemas como solda virtual, resíduos de solda escurecidos e juntas de solda sem brilho são causados após a solda.

    Se a temperatura nesta área subir muito rápido, o breu (fluxo) na pasta de solda se expandirá e se volatilizará rapidamente. Em circunstâncias normais, o breu deve escapar lentamente da fenda entre a pasta de solda. Quando a colofónia se volatiliza muito rápido, problemas de qualidade como porosidade, estanho frito e contas de estanho ocorrerão.

    Zona de refluxo

    Zona de refluxo

    A área de refluxo é a área com a maior temperatura de perfil de refluxo em toda a seção, e normalmente é chamada de "tempo acima de líquidos". Neste momento, o estanho na solda "reage quimicamente" com o cobre (Cu) ou níquel (Ni) na almofada para formar um composto intermetálico Cu5Sn6 ou Ni3Sn4. 

    Tomemos como exemplo o tratamento superficial de OSP (Organic Protective Film), quando a pasta de solda derrete, ela molha rapidamente a camada de cobre, átomos de estanho e átomos de cobre penetram uns nos outros na interface, e a estrutura da liga inicial Sn-Cu é um bom composto intermetálico Cu6Sn5 (IMC), um estágio crítico dentro do forno de refluxo, uma vez que os gradientes de temperatura ao longo do conjunto devem ser minimizados.

    A espessura do IMC é aceitável em 1-5μm, mas IMC muito espesso não é bom, e geralmente é recomendado controlá-lo em 1-3μm como o melhor. A TAL deve permanecer dentro dos parâmetros especificados pelo fabricante da pasta de solda. A temperatura máxima do produto também é atingida nesta fase. Se o tempo for muito longo, o IMC se tornará mais grosso e quebradiço, e o piso à base de cobre pode continuar a gerar Cu3Sn IMC ruim. A placa com tratamento de superfície ENIG irá gerar Ni3Sn4 IMC no estágio inicial, mas também irá gerar muito pouco composto Cu6Sn5.

    Deve-se tomar cuidado para não exceder a capacidade máxima de temperatura e taxa de aquecimento de qualquer componente sensível à temperatura no PCB. Por exemplo, um capacitor típico de tântalo sem chumbo tem uma temperatura máxima de 260°C por um máximo de 10 segundos. Idealmente, todas as juntas de solda no conjunto devem atingir a mesma temperatura máxima ao mesmo tempo e na mesma taxa para garantir que todas as peças experimentem o mesmo ambiente no forno.

    A temperatura de pico do perfil de refusão geralmente depende da temperatura do ponto de fusão da solda e da temperatura que as peças montadas podem suportar. Geralmente, a temperatura de pico deve ser cerca de 25~30°C mais alta que o ponto de fusão normal da pasta de solda, a fim de concluir com sucesso a operação de solda. Se for inferior a esta temperatura, é muito provável que cause as desvantagens da soldagem a frio e umedecimento deficiente. O tempo da área de refusão (TAL) é geralmente recomendado entre 30s e 60s, e alguns fabricantes exigirão mais de 45s e menos de 90s.

    Zona de resfriamento

    Após a zona de refusão, o produto resfria e solidifica as juntas de solda, pronto para os processos de montagem subseqüentes. O controle da taxa de resfriamento também é crítico.

    juntas de solda

    Acredita-se geralmente que a zona de resfriamento do perfil de refluxo deve ser resfriada rapidamente para solidificar a solda. O resfriamento rápido também pode obter uma estrutura cristalina mais fina, melhorar a resistência das juntas de solda, tornar as juntas de solda brilhantes, e a superfície é contínua e em forma de menisco, mas a desvantagem é que é mais fácil formar furos porque alguns gases não têm tempo para escapar.

    Pelo contrário, o resfriamento lento no perfil de refluxo acima do ponto de fusão levará facilmente à geração excessiva de compostos intermetálicos (IMC) e grãos de cristal maiores, o que reduzirá a resistência à fadiga. Ao mesmo tempo em que se acelera a taxa de resfriamento, deve-se prestar atenção à resistência ao impacto das peças. 

    A taxa máxima de resfriamento no perfil de refluxo permitida por um condensador geral é de cerca de 4°C/seg. Uma taxa de resfriamento excessiva pode causar estresse e rachaduras. Também pode causar descascamento entre a almofada e o PCB ou entre a almofada e a junta de solda. Geralmente, a taxa de resfriamento recomendada no perfil de refluxo está entre 2 e 5°C/s.

    FAQ

    O perfil de refusão da montagem da placa de circuito inclui quatro blocos principais: pré-aquecimento, embebição, refusão e resfriamento.
    A zona de pré-aquecimento geralmente se refere à área onde a temperatura do PCBA sobe da temperatura ambiente em torno de 150~170°C.

    Acredita-se geralmente que a zona de resfriamento do perfil de refluxo deve ser resfriada rapidamente para solidificar a solda. O resfriamento rápido também pode obter uma estrutura cristalina mais fina, melhorar a resistência das juntas de solda, tornar as juntas de solda brilhantes, e a superfície é contínua e em forma de menisco, mas a desvantagem é que é mais fácil formar furos porque alguns gases não têm tempo para escapar.

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