Přetavovací pec Pájení

Pájení přetavením je nejběžnější metodou připevňování součástek pro povrchovou montáž k desce plošných spojů, i když ji lze použít i pro součástky s průchozími otvory, a to vyplněním otvorů pájecí pastou a vložením vývodů součástek skrz pastu.Protože pájení vlnou může být jednodušší a levnější, přetavení se obecně nepoužívá na deskách s čistě průchozími otvory.Při použití na deskách obsahujících směs SMT a THT součástek umožňuje přetavení skrz díru eliminovat krok pájení vlnou z procesu montáže, což potenciálně snižuje náklady na montáž.

Cílem procesu přetavení je roztavit pájku a zahřát přilehlé povrchy, aniž by došlo k přehřátí a poškození elektrických součástí.V konvenčním procesu pájení přetavením jsou obvykle čtyři stupně, nazývané „zóny“, z nichž každá má odlišný tepelný profil: předehřátí, tepelné namáčení (často zkráceno na pouhé namáčení), přetavení a chlazení.

 

Předehřívací zóna

Maximální strmost je vztah mezi teplotou a časem, který měří, jak rychle se mění teplota na desce s plošnými spoji.Předehřívací zóna je často nejdelší ze zón a často určuje rychlost rampy.Rychlost náběhu je obvykle někde mezi 1,0 °C a 3,0 °C za sekundu, často klesá mezi 2,0 °C a 3,0 °C (4 °F až 5 °F) za sekundu.Pokud rychlost překročí maximální sklon, může dojít k poškození součástí tepelným šokem nebo prasknutím.

Pájecí pasta může mít také rozstřikující účinek.Předehřívací sekce je místo, kde se rozpouštědlo v pastě začíná odpařovat, a pokud je rychlost nárůstu (nebo úroveň teploty) příliš nízká, odpařování těkavých látek není úplné.

 

Termální zóna

Druhá sekce, tepelné prohřívání, je typicky 60 až 120 sekundová expozice pro odstranění těkavých látek z pájecí pasty a aktivaci tavidel (viz tavidlo), kde složky tavidla začnou oxidovat na vývodech součástí a destičkách.Příliš vysoká teplota může vést k rozstřikování nebo shlukování pájky a také k oxidaci pasty, připojovacích podložek a zakončení součástí.

Podobně se tavidla nemusí plně aktivovat, pokud je teplota příliš nízká.Na konci prohřívací zóny je žádoucí tepelná rovnováha celé sestavy těsně před zónou přetavení.Pro snížení jakékoli delta T mezi součástmi různých velikostí nebo v případě, že je sestava PCB velmi velká, se doporučuje profil namáčení.Doporučuje se také namáčecí profil, aby se zmenšila tvorba dutin v balíčcích typu area array.

 

Reflow zóna

Třetí sekce, zóna přetavení, je také označována jako „čas nad přetavením“ nebo „čas nad likvidem“ (TAL) a je částí procesu, kde je dosaženo maximální teploty.Důležitým hlediskem je špičková teplota, což je maximální povolená teplota celého procesu.Obvyklá špičková teplota je 20–40 °C nad likvidem. Tato hranice je určena komponentem na sestavě s nejnižší tolerancí vůči vysokým teplotám (komponenta nejvíce náchylná k tepelnému poškození).Standardním vodítkem je odečíst 5 °C od maximální teploty, kterou snese nejzranitelnější součást, aby se dosáhlo maximální teploty pro proces.Je důležité sledovat procesní teplotu, aby nepřekročila tento limit.

Kromě toho mohou vysoké teploty (nad 260 °C) způsobit poškození vnitřních matric součástí SMT a také podpořit intermetalický růst.Naopak, teplota, která není dostatečně horká, může bránit správnému přetečení pasty.

Čas nad likvidem (TAL) neboli doba nad přetavením měří, jak dlouho je pájka v kapalině.Tavidlo snižuje povrchové napětí v místě spojení kovů, aby se dosáhlo metalurgického spojení, což umožňuje spojení jednotlivých kuliček pájkového prášku.Pokud čas profilu překročí specifikaci výrobce, může to mít za následek předčasnou aktivaci nebo spotřebu tavidla, což účinně „vysuší“ pastu před vytvořením pájeného spoje.Nedostatečný vztah mezi časem a teplotou způsobí snížení čisticího účinku tavidla, což má za následek špatné smáčení, nedostatečné odstranění rozpouštědla a tavidla a případně vadné pájené spoje.

Odborníci obvykle doporučují co nejkratší TAL, nicméně většina past specifikuje minimální TAL 30 sekund, i když se zdá, že neexistuje žádný jasný důvod pro tento konkrétní čas.Jednou z možností je, že na DPS jsou místa, která se při profilování neměří, a proto nastavení minimální povolené doby na 30 sekund snižuje pravděpodobnost, že se neměřená oblast nepřeteče.Vysoká minimální doba přetavení také poskytuje bezpečnostní rezervu proti změnám teploty v peci.Doba smáčení ideálně zůstává pod 60 sekund nad liquidus.Další čas nad liquidus může způsobit nadměrný intermetalický růst, který může vést ke křehkosti kloubů.Deska a komponenty mohou být také poškozeny při delší době působením likvidu a většina komponent má dobře definovaný časový limit, jak dlouho mohou být vystaveny teplotám přesahujícím dané maximum.

Příliš krátká doba nad likvidem může zachycovat rozpouštědla a tavidlo a vytvářet potenciál pro studené nebo matné spoje a také mezery v pájce.

 

Chladící zóna

Poslední zónou je ochlazovací zóna pro postupné ochlazování zpracovávané desky a tuhnutí pájených spojů.Správné chlazení zabraňuje nadměrné intermetalické tvorbě nebo tepelným šokům na součástech.Typické teploty v chladicí zóně se pohybují v rozmezí 30–100 °C (86–212 °F).Rychlá rychlost ochlazování je zvolena tak, aby se vytvořila jemnozrnná struktura, která je mechanicky nejspolehlivější.

[1] Na rozdíl od maximální rychlosti náběhu je rychlost náběhu často ignorována.Může se stát, že rychlost náběhu je nad určitými teplotami méně kritická, nicméně maximální povolený sklon pro kteroukoli součást by měl platit, ať se součást zahřívá nebo ochlazuje.Běžně se navrhuje rychlost chlazení 4 °C/s.Je to parametr, který je třeba vzít v úvahu při analýze výsledků procesu.

Termín "přetavení" se používá k označení teploty, nad kterou se pevná hmota pájecí slitiny jistě roztaví (na rozdíl od pouhého změknutí).Při ochlazení pod tuto teplotu pájka neteče.Zahřátá nad ní ještě jednou, pájka znovu poteče – tedy „re-flow“.

Moderní techniky sestavování obvodů, které používají pájení přetavením, nutně neumožňují, aby pájka protékala více než jednou.Zaručují, že granulovaná pájka obsažená v pájecí pastě překročí teplotu přetavení použité pájky.

Tepelné profilování