Rozwiązywanie problemów w procesie reflow

Wstęp

Wprowadzenie wyższych temperatur procesu lutowania bezołowiowego oraz redukcja wielkości depozytu pasty wymusza stosowanie węższego okna procesowego celem optymalizacji profilu lutowania rozpływowego. Problem polega nie tylko na wystawieniu komponentów i PCB na oddziaływanie wyższej temperatury, lecz również na tym, iż restrykcje dotyczące niektórych z komponentów (zwłaszcza w przypadku dużej masy cieplnej PCB) ograniczają wysokość maksymalnej temperatury, utrudniając równocześnie utworzenie trwałego lutu.

Ponadto, zmniejszenie rozmiarów padów wymaga często zastosowania past o mniejszym rozmiarze kulek cyny. Oba te czynniki – mniejszy depozyt i mniejsze ziarno pasty – powodują wzrost współczynnika powierzchni do wolumenu pasty, co z kolei stanowi wyzwanie dla efektywnej pracy topnika. W efekcie tlenki powierzchniowe mogą być przyczyną szeregu defektów, takich jak pustki, kuleczkowanie, ziarnistość lutu czy 'head-in-pillow'. Artykuł omawia techniki zmniejszenia ryzyka powstawania tych defektów poprzez optymalizację profilu rozpływowego.

Typy profili

Dwa najpopularniejsze typy profili to Ramp-Soak-Spike (RSS), co można przetłumaczyć jako wzrost-wygrzewanie-szczyt oraz Ramp-to-Spike (RTS), czyli wzrost-szczyt (czasem też Ramp-to-Peak, RTP). Profil RTP tworzy liniową krzywą wznoszącą się równomiernie do temperatury maksymalnej. RSS tworzy natomiast pewne wypłaszczenie w umiarkowanych zakresach temperatury, przed punktem rozpływu lutu.

Fazy profilu

Całość profilu może być podzielona na cztery fazy: grzanie wstępne, faza przed rozpływem lutu, rozpływ lutowia i chłodzenie.

Grzanie wstępne

Faza grzania wstępnego przygotowuje PCB do kluczowej fazy rozpływu, uwalniając lotne cząstki topnika i redukując szok temperaturowy. Tzw. ramp rate, czyli w istocie tempo wzrostu, wyznaczany jest poprzez wzrost temperatury w czasie. Rozpoczyna się zawsze w temperaturze otoczenia i kończy w punkcie temperatury maksymalnej. Współczynnik ten definiowany jest w fazie grzania wstępnego. W przedziale 0.5 – 2.0°C/sekundę uważany jest za standardowy, a na jego wartość istotny wpływ ma szybkość pasa transmisyjnego pieca oraz Δ-T (delta-T) pomiędzy strefami grzania pieca (rekomenduje się ΔT <40°C pomiędzy strefami pieca).

Faza przed rozpływem lutu

W tej fazie topnik (lub inny aktywator) ma za zadanie usunąć wszelkie tlenki z wyprowadzeń komponentów oraz powierzchni padów na PCB, jak również cząsteczki tlenków obecne w paście lutowniczej, przygotowując w ten sposób obie powierzchnie do połączenia w fazie rozpływu. W tej właśnie fazie osiąga się temperaturę wygrzewania. Temperatura wygrzewania jest utrzymywana w wąskim przedziale i w ściśle określonych czasie. Owo wypłaszczenie profilu pozwala wyrównać gradient temperatur PCB przed szczytem temperaturowym. W ten sposób cały moduł lutowany jest w jednolitych warunkach podczas szczytu temperaturowego, co umożliwia uformowanie jednolitych połączeń lutowniczych. Wraz ze wzrostem fizycznych wymiarów PCB oraz wzrostem zróżnicowania wielkości zastosowanych na niej komponentów, osiągnięcie ujednoliconej temperatury jest utrudnione, jednak profil uwzględniający fazę wygrzewania pomaga w osiągnięciu odpowiednich wyników lutowania. Profile z wygrzewaniem są stosowane również przy montażu takich komponentów jak BGA (ball grid array), LGA (land grid array), SGA (solder grid array) oraz QFN (quad flat pack, bez wyprowadzeń), uwalniając z pasty substancje lotne, zmniejszając emisję gazów z topnika oraz minimalizując ilość/wielkość pustek uwięzionych w lucie podczas chłodzenia.

Rozpływ pasty

Rozpływ lutowia oznacza ustanowienie mechanicznego i elektrycznego połączenia poprzez uformowanie warstwy intermetalicznej pomiędzy cyną i miedzią. W tej fazie istotne są dwie zmienne: temperatura szczytowa oraz czas w jakim temperatura utrzymywana jest powyżej punktu topnienia (TAL, time-above-liquidus). Temperatura szczytowa ustanawiana jest zwykle 20-30°C powyżej punktu topnienia, TAL umożliwiający efektywne formowanie warstwy intermetalicznej zwykle wynosi 30-90 sekund.

Chłodzenie

W tej fazie formowana jest ziarnista struktura połączenia lutowniczego. Struktura składająca się z drobnych ziaren zapewnia najlepsze połączenie mechaniczne. Aby ją osiągnąć, niezbędne jest gwałtowne schłodzenie na etapie przejścia ze stanu płynnego w stały (około 50°C schłodzenia). Ograniczeniem dla maksymalnego schłodzenia jest jednak stres wywierany na połączenie lutownicze, jeśli tempo tego procesu jest zbyt gwałtowne. Stres termiczny, którego siła zależna jest od różnic CTE (współczynnika rozszerzalności cieplnej) łączonych powierzchni, może rozłamać czy rozciągać lut. Im większe występują różnice CTE i im szybsze jest tempo schładzania, tym większy stres termiczny jest generowany. Standardowe tempo schładzania to około 4°C/ sekundę. Niestety, wiele pieców nie posiada funkcji kontroli chłodzenia. Jedną z metod przezwyciężania tego problemu jest używanie ostatnich stref grzania jako strefy chłodzenia.

Pasty wodo-rozpuszczalne i typu No-Clean

Należy podkreślić, iż pomiędzy pastami wodo-rozpuszczalnymi oraz no-clean występują znaczne różnice w reakcji na wygrzewanie oraz na długi czas przebywania w piecu. W obu przypadkach, zawarty w nich aktywator (topnik) usuwa tlenki z łączonych powierzchni oraz tlenki zawarte w samej paście. Po tej fazie, zadaniem innych składników topnika jest ustanowienie bariery ochronnej przed ponowną oksydacją. Bazą past no-clean są związki z rodzin kalafonii i żywic, tworzące doskonałe bariery antyoksydacyjne, chroniące oczyszczone powierzchnie przez ponownym utlenianiem. Z kolei pasty wodo-rozpuszczalne, zawierają składniki o wysokiej masie cząsteczkowej, takie jak polimery, które nie tworzą tak skutecznych barier chroniących przed ponownym utlenianiem. Z tego też względu, pasty wodo-rozpuszczalne nie sprawdzają się dobrze w przypadku wydłużonych profili reflow, uwzględniających długie wygrzewanie wstępne. Połączenie wodo-rozpuszczalnych past i profili typu soak często prowadzi do defektów spowodowanych słabą zwilżalnością.

Rozmiar kulek w paście

Kolejnym czynnikiem, wpływającym na dobór profilu, jest rozmiar kulek w paście lutowniczej. Im mniejsze są ich rozmiary, tym większa jest łączna powierzchnia wystawiona na ewentualne utlenianie. W takich warunkach, profil z etapem wygrzewania zwiększa wymagania stawiane przed topnikiem.

Rozwiązania

Niniejszy materiał stara się odpowiedzieć na pytania, w jaki sposób profil wpływa na powstawanie defektów. Bardzo często istnieją bardziej efektywne metody rozwiązania problemu niż dopasowywanie profilu. Przykładowo, powszechnie wiadomo iż 60-70% defektów lutowania jest powodowanych na etapie druku.