Profily pájení přetavením: SAC305, bezolovnaté a olovnaté

Pájení přetavením (reflow) taví pájecí pastu a vytváří trvalé spoje mezi součástkami pro povrchovou montáž a ploškami PCB. Tepelný profil — křivka teplota–čas, kterou deska v reflow peci sleduje — je jednoznačně nejdůležitější procesní proměnnou. Nesprávný profil způsobuje studené spoje, tombstoning, praskání součástek nebo var elektrolytu; to vše projde vizuální kontrolou a selže v terénu. Ověření profilu je klíčovou součástí kontroly kvality pro každý projekt montáže PCB.

Přehled

Průběžná reflow pec má 6–14 teplotních zón. Deska prochází každou zónou řízenou rychlostí a prožívá stoupající a klesající teplotní profil. Profil musí desku ohřát natolik, aby se pájka plně roztavila a smáčela, a přitom zůstat pod limity poškození každé součástky na desce. U smíšených sestav (through-hole piny pájené vlnou do desky s již přetavenými SMD součástkami) nesmí reflow profil zároveň znovu roztavit spoje z předchozího procesu.

Dva dominantní pájecí systémy v čínské výrobě:

• SAC305 (Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5): bezolovnatý, v souladu s RoHS, likvidus 217°C
• Sn63Pb37: olovnatý, likvidus 183°C — stále se používá pro průmyslové, vojenské a některé vysoce spolehlivé aplikace osvobozené od RoHS

Klíčové parametry

Rozbor profilu zónu po zóně

Zóna 1–3: Předehřev (25°C → 150°C) Cíl: postupně zvyšovat teplotu desky, aby se předešlo tepelnému šoku, který praská vícevrstvé keramické kondenzátory (MLCC). Rychlost náběhu nesmí přesáhnout 3°C/s (SAC305) nebo 2°C/s (olovnatý). V této fázi se odvádí zbytková vlhkost z desky nebo z pouzder součástek. Pokud se vlhkost neodvede před zónou prohřevu, odpaří se v pájecí pastě a vytvoří dutiny.

Zóna 3–5: Prohřev/aktivace (150–200°C pro SAC305) Tavidlo v pájecí pastě se aktivuje a čistí povrchy plošek a součástek (odstraňuje oxidy). Pasta musí v této zóně setrvat dostatečně dlouho pro úplnou aktivaci — 60–120 sekund. Příliš krátce: špatné smáčení na oxidovaných ploškách. Příliš dlouho: tavidlo se vypálí před přetavením, což rovněž způsobuje špatné smáčení. Během prohřevu se teplota desky vyrovnává napříč panelem — kritické u desek s velkými rozdíly tepelné hmotnosti mezi zónami.

Zóna 5–7: Přetavení (nad likvidem, 217–250°C pro SAC305) Pájka taje, smáčí plošku a zakončení součástky a tvoří spoj. Čas nad likvidem (TAL) 30–90 sekund umožňuje úplné smáčení bez přehřátí součástek. Špičková teplota se měří v nejchladnějším bodě desky (pod nejtěžší tepelnou hmotou, jako je výkonový konektor nebo velká chladicí ploška). Mnoho továren měří špičku v nejsnadnějším místě pro termočlánek — vyžadujte, aby byl termočlánek umístěn pod tepelně nejnáročnější součástkou.

Chladicí zóna: Špička → 100°C Rychlé, ale řízené chlazení (<4°C/s). Příliš pomalu: intermetalická vrstva roste a časem snižuje pevnost spoje. Příliš rychle: tepelný šok, nebo struktura pájeného spoje nemá dost času se uspořádat — může vznikat zrnitý, křehký spoj. Dusíková atmosféra (pokud se používá) brání reoxidaci během chlazení.

Nízkoteplotní alternativy

SnBiAg (např. Sn42/Bi57/Ag1): Likvidus ~138°C, špičkový profil 150–165°C. Používá se pro teplotně citlivé součástky, které nesnesou špičky 250°C u SAC305 — některé QFN s tenkým čipem, určité displejové moduly, součástky s plastovými konektory s krytím do 180°C. Nižší špičkové teploty snižují zborcení PCB u velkoformátových desek. Kompromis: nižší pevnost v tahu a odolnost proti tepelné únavě než SAC305. Nedoporučuje se pro aplikace s vysokými vibracemi nebo teplotním cyklováním.

Úrovně vlhkostní citlivosti dle J-STD-020 (MSL)

Součástky během skladování absorbují vlhkost. Pokud do reflow pece vstoupí součástky nasycené vlhkostí, voda se odpaří a rozpíná uvnitř pouzdra rychleji, než stačí uniknout, což způsobí vnitřní delaminaci („popcorning”) — často zvenčí neviditelnou, ale zničující pro spolehlivost. J-STD-020 klasifikuje součástky podle toho, jak rychle absorbují vlhkost na nebezpečné úrovně:

BGA a QFN bývají často MSL 3 nebo vyšší. Pokud byly v otevřeném skladu déle než 168 hodin (nebo továrna nedokáže potvrdit podmínky skladování), musí být před reflow vysušeny: 125°C po dobu 8–24 hodin podle tloušťky pouzdra a úrovně MSL, dle J-STD-033.

Zeptejte se továrny: „Jak sledujete MSL u součástek? Zaznamenáváte, kdy se cívky otevírají?” Pokud nemají postup, jste vystaveni riziku.

Reflow v dusíkové atmosféře

Nahrazení vzduchu dusíkem (O₂ <100 ppm) uvnitř pece brání oxidaci pájky a plošek během reflow. Přínosy: lepší smáčení, nižší míra vad u součástek s jemnou roztečí, možnost použít no-clean tavidlo s minimálními zbytky. Náklady: přidává $0,10–0,30/desku za spotřebu dusíku. Vyžadováno pro: některé bezolovnaté no-clean procesy na BGA s roztečí 0,3 mm; doporučeno pro vysoce spolehlivé sestavy třídy 3.

Co specifikovat při objednávce z Číny

• Pájecí slitina: SAC305, Sn63Pb37 nebo konkrétní nízkoteplotní slitina — uveďte kterou a odkažte na označení slitiny dle J-STD-006
• Postup nakládání s MSL: vyžadujte, aby továrny dokumentovaly úrovně MSL součástek a historii sušení; učiňte z toho položku kontrolního seznamu auditu továrny
• Charakterizace profilu na vaší desce: vyžadujte záznam termočlánku z první výrobní série umístěného v nejnepříznivějším tepelném místě, nikoli generický uložený profil
• Dusíková atmosféra: specifikujte „ano” nebo „ne” — pokud není specifikováno, většina továren standardně použije vzduch
• Kontrola prvního kusu (FAI): vyžadujte, aby jedna deska z prvního panelu byla prozářena rentgenem a podrobena příčnému řezu k ověření kvality spojů před schválením hromadné výroby

Kontroly kvality

Definitivní kontrola: termočlánkem zaznamenaný profil pro vaši konkrétní desku, s termočlánkem přilepeným ke spodní straně tepelně nejhmotnější součástky. Porovnejte naměřenou špičkovou teplotu, TAL a rychlosti náběhu s výše uvedenou specifikační tabulkou. Vyžádejte si to jako součást dokumentace kontroly prvního kusu.

Mikroskopie příčného řezu spojů BGA odhalí: tloušťku intermetalické vrstvy (ideálně 1–3 µm), procento dutin a geometrii spoje. Pro výrobu rentgenová kontrola AXI potvrzuje vytvoření spoje na každé desce.

Časté problémy

Studené pájené spoje u SAC305: Špičková teplota nedostatečná nebo TAL příliš krátký. SAC305 vyžaduje vyšší špičku než olovnatá pájka — továrny provozující pastu SAC305 přes profil vyladěný pro olovnatou pájku vytvoří studené spoje, které mohou elektricky vyhovět (přechodový odpor), ale termomechanicky selžou při vibracích nebo teplotním cyklování.

Prasklé MLCC: Rychlost náběhu překročila 3°C/s v předehřevu, nebo deska byla bezprostředně po reflow vložena do studeného přípravku. MLCC (zejména 0402 a 0201 X7R/X5R) jsou křehké; teplotní gradient napříč jejich tělem způsobuje mechanické praskliny z namáhání. Mikrotrhliny často projdou elektrickým testem při pokojové teplotě, ale selžou při zvýšené teplotě nebo po mechanickém namáhání.

Selhání elektrolytického kondenzátoru: Špičková teplota překročila jmenovitou hodnotu součástky (typicky 260°C po dobu 10 sekund dle J-STD-020). Elektrolyt se vaří a kondenzátor odventiluje. Častější u desek vysoké hustoty, kde je proudění vzduchu v peci nerovnoměrné a tvoří se horká místa. Ověřte teplotní hodnoty součástek oproti nejnepříznivějšímu profilu pece.

Související zdroje

• Proces montáže SMT — kompletní tok SMT linky
• Kritéria přijatelnosti IPC-A-610 — klasifikace kvality spojů
• Směrnice DFM — návrhová pravidla ovlivňující chování tepelného profilu
• Kontrolní seznam pro audit továrny
• Služby kontroly kvality
• Výroba PCB a sourcing SMT
• Průvodce nákupem montáže PCB v Číně