Паяльное оборудование Hakko

Широкое распространение бессвинцовых паяльных паст, а также расширение типов корпусов компонентов (начиная с больших BGA-корпусов и заканчивая компонентами типа fine-pitch), приводит к необходимости разработки новых паяльных печей для обеспечения большей управляемости процессом теплопередачи. В таблицах 1 и 2 приведены характеристики типичных бессвинцовых паяльных паст. Из таблицы 1, в которой приведены характеристики основных паяльных паст (исключая содержащие висмут), видно, что бессвинцовые паяльные пасты

 имеют бoльшую температуру плавления, чем общепринятые припои Sn/Pb. Из параметров оплавления пасты на меди (таблица 2) видно, что, кроме того, бессвинцовые паяльные пасты не смачивают поверхность так же хорошо, как припой Sn63/Pb37, который растекается тонким и широким слоем. Дополнительные тесты показали, что, в то время как припои Sn63/Pb37 имеют растекаемость 93%, у бессвинцовых паст этот параметр варьируется от 73 до 77%.

Таблица 1. Типичные характеристики бессвинцовых припоев

 Таблица 2. Параметры смачивания по меди*

*По материалам «IPC works 99 », «Lead free solders», dr.J Hwang

Паяльные пасты состава Sn63/Pb37 имеют температуру плавления 183 °, при этом пиковая температура выводов небольших компонентов достигает 240 °, а температура выводов больших компонентов — 210 °. Однако эта разница в 30 ° между большими и малыми компонентами не влияет на характеристики паяных соединений. Это связано с тем, что паяные соединения формируются при температуре припоя на 27 –57 ° выше температуры плавления. И так как текучесть металлов увеличивается при больших температурах, эти условия благоприятны для производства.

У бессвинцовых припоев,однако,точка плавления, например, Sn/Ag достигает 216 –221 °. Это приводит к тому,что выводы больших компонентов должны быть нагреты до температуры выше 230 °, чтобы гарантировать плавление. Если при этом пиковая температура выводов малых компонентов не должна превышать 240 °, то разница между большими и малыми компонентами уменьшается до 10 °. Это также резко уменьшает разницу между точкой плавления припоя и пиковой температурой пайки в печи (рис.1). Таким образом, в печи должна быть снижена разность пиковой температуры между большими и малыми компонентами и должен поддерживаться стабильный температурный профиль по поверхности печатной платы для обеспечения высоких производственных характеристик.

Рис. 1. Рабочий диапазон для Sn/Pb (слева) и бессвинцовой паяльных паст. Для обеспечения стабильного профиля оплавления необходимо уменьшить разность пиковых температур для больших и малых компонентов

Поддержание пиковой температуры
Необходимо учитывать теплоемкость и теплопроводность нагреваемых элементов. Это особенно важно для корпусов BGA (и печатных плат), которые нагреваются первыми. Тепло затем передается контактным площадкам и сферическим BGA-выводам для формирования паяных соединений. Например, воздух температурой 230 ° нагревает поверхность корпуса быстрее, и даже при значительной скорости обдува контактные площадки и BGA-выводы будут нагреваться ощутимо дольше, чем обычно. Таким образом, во избежание теплового шока монтируемые детали не должны перегреваться в зоне плавления, а контактные площадки и плавкие выводы BGA должны быть нагреты до температуры, достаточной для формирования паяного соединения.

Системы паяльных печей
Два самых простых метода нагревания для пайки — это воздушная конвекция и инфракрасный нагрев. При использовании воздуха в качестве средства для передачи тепла конвекция идеальна для нагревания компонентов, которые «выступают » из платы, таких, как выводы и маленькие детали. Однако при этом образуется пограничный слой между горячим воздухом и платой, который делает подачу тепла последней неэффективной (рис.2).

Рис. 2. Структура пограничного слоя, который формируется в процессе передачи тепла путем конвекции, и снижает эффективность процесса

При ИК-нагреве инфракрасные нагреватели передают энергию путем электромагнитного излучения, которое будет равномерно нагревать компоненты при правильном управлении. Однако при отсутствии правильного управления может произойти перегрев платы и компонентов. ИК-излучатели, такие, как лампы и нагревательные стойки, имеют ограниченную площадь, при этом зона наибольшего нагрева находится непосредственно под нагревателем. По этой причине ИК-нагреватели должны быть больше, чем целевая ПП, чтобы обеспечить равномерную теплопередачу и предотвратить остывание ПП.
Из трех механизмов теплопередачи — теплопроводность, излучение и конвекция — только два последних поддаются управлению. Теплопередача путем излучения является эффективным и мощным механизмом, что показывает следующая формула:
T(K)e = bT ⁴,
где тепловая энергия излучения - e - пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры, b — постоянная Стефана —Больцмана.
Таким образом,требуется прецизионное управление температурой, из-за того, что мощность ИК-нагрева очень чувствительна к температуре нагревателя. В то же время конвекционный механизм не является столь мощным, но обеспечивает качественный равномерный нагрев в печи.