Rozwiązywanie problemów w procesie reflow

Odbarwienie pozostałości topnika

Temperatura procesu wpływa na kolor pozostałości topnika: im wyższa jest temperatura szczytowa, im dłuższy okres powyżej punktu rozpływu lub po prostu im dłuższy jest cały proces, tym pozostałości topnika stają się ciemniejsze. Ponieważ stopy bezołowiowe mają dużą zawartość cyny i wymagają jednocześnie wyższej temperatury, tym bardziej widoczny jest to problem w przypadku lutowania bezołowiowego. Wielokrotne powtarzanie procesu reflow też pogłębia ten problem. Jeśli płytki mają być potem myte, takie pozostałości mogą okazać się bardzo trudne do usunięcia. Ponieważ pozostałości topnika są zależne od temperatury, im niższa jest temperatura szczytowa, krótszy TAL, szybsze tempo wzrostu temperatury, a sam profil nie zawiera etapu wygrzewania, tym mniejszy jest to problem.

Pustki

Pustki powstają przy montażu takich komponentów jak BGA, SGA, QFN czy LGA. Ich występowanie stało się częstsze wraz ze wzrostem temperatury procesu oraz większym napięciem powierzchniowym zawierających wysoką ilość cyny lutów bezołowiowych. W mieszanych procesach lutowania, z użyciem ołowiowych i bezołowiowych stopów, pustki występują nawet częściej niż w procesie bezołowiowym czy ołowiowym.

Obecność padów zawierających przelotki czy mikro-przelotki czy też padów przeznaczonych dla małych komponentów, takich jak 01005 i BGA o rozstawie 0.4 mm, również pogłębia problem pustek. Mniejsze rozmiary padów wymuszają mniejsze średnice kulek pasty. Wraz z ich zmniejszaniem, zwiększa się powierzchnia podlegająca oksydacji, co wymusza stosowanie większej ilości topnika, którego intensywne parowanie też powoduje pustki.

Efekt pustek jest zależny od zdolności topnika do efektywnego (tj. szybkiego i kompletnego) usuwania tlenków, a także intensywnego przechodzenia topnika w stan lotny. Rozpuszczalnik stanowiący bazę topnika jest odparowywany przed punktem rozpływu, na PCB zostają jednak jego pozostałości, często charakteryzujące się dużą lepkością i w związku z tym trudne do usunięcia z roztopionego lutowia. Pozostałości topników no-clean złożone są głównie z żywic. Dłuższy profil, dłuższy okres TAL czy wyższa temperatura szczytowa czyni takie pozostałości trudniej usuwalnymi (tj. bardziej lepkimi), topnik przechodzi też w stan lotny bardziej gwałtownie. Z drugiej strony, topnik obniża napięcie powierzchniowe roztopionego lutowia.

Z kolei krótszy profil, krótszy TAL i niższa temperatura maksymalna daje łatwiejsze do usunięcia pozostałości topnika. Zmniejsza również intensywność procesu parowania, zwiększając jednak napięcie powierzchniowe.

W przypadku procesu bezołowiowego, profile zawierające etap wygrzewania redukują efekt pustek w mniejszym stopniu niż w przypadku procesów ołowiowych: dzieje się tak przypuszczalnie ze względu na wyższą temperaturę szczytową oraz większe napięcie powierzchniowe lutów o dużej zawartości cyny. Topniki stosowane w procesach bezołowiowych zawierają więcej żywic, tworzących barierę antyoksydacyjną, kompensującą wyższe temperatury. Wytwarza to jednak więcej trudnych do usunięcia pozostałości topnika. Specyfikacje techniczne producentów topników zawierają rekomendacje dotyczące czasu wygrzewania bazujące na składzie chemicznym topnika i temperatury topnienia lutowia.

Ziarniste luty

Ziarniste luty to zjawisko polegające na układaniu się nierozpłyniętych części pasty na szczycie masy roztopionego lutowia (Rysunek 3). Efekt ziarnistości lutu nasila się wraz ze wzrostem temperatury procesu bezołowiowego, zmniejszaniem się objętości depozytu pasty oraz zmniejszanie się średnicy kulek pasty. Kombinacja tych czynników stanowi bardzo trudne wyzwanie dla topnika, odpowiedzialnego za usunięcie tlenków. Dodatkowo, topnik może w procesie rozpływu przemieszczać się z cząstek pasty, gromadząc się poza depozytem. Pozostawione bez ochrony antyoksydacyjnej cząstki pasty utleniają się i nie łączą z zasadniczą masą lutu.

© KIC

Rysunek 3: Przykład utworzenia się ziarnistego lutu.

Mniejszy depozyt oznacza wzrost relacji powierzchni wystawionej na oddziaływanie warunków panujących wewnątrz pieca do masy depozytu. Oznacza to zmniejszanie się ilości dostępnego topnika niezbędnego do usunięcia tlenków z łączonych powierzchni oraz z samych cząstek tworzących pastę. Taka sytuacja może prowadzić do powstawania efektu ziarnistych lutów. Ziarniste luty występują rzadziej w przypadku padów ograniczonych maską, która zmniejsza rozprzestrzenianie się topnika poza padem. Co więcej, rezystory są bardziej narażone na zjawisko ziarnistości niż kondensatory. Niskie posadowienie rezystorów może wspomagać oddzielanie się topnika z cząstek pasty.

Profil o niskim tempie wzrostu temperatury (tj. <1°C/sekundę) może nasilać występowanie efektu ziarnistości. Wraz z każdym stopniem wzrostu temperatury, maleje lepkość topnika. Mniejsze tempo wzrostu temperatury oznacza więcej czasu dla topnika na uwolnienie się z cząsteczek pasty i rozlanie poza depozytem, co z kolei pozostawia zewnętrzne cząstki pasty bez ochrony antyoksydacyjnej. Zwiększenie tempa wzrostu temperatury (o 1-1.5°C/sekundę) pozwala rozpuszczalnikowi topnika parować szybciej, podnosząc jego lepkość i zmniejszając możliwości przemieszczania. Z tych też względów, profil RTP z krótkim etapem wygrzewania lub pozbawiony go całkowicie, z łagodnym wzrostem temperatury (1-1.5°C/sekundę) oraz niską temperaturą szczytową, powinien dać najlepsze rezultaty.