Profile lutowania rozpływowego: SAC305, bez ołowiu i z ołowiem
Techniczny przewodnik po profilach termicznych lutowania rozpływowego, obejmujący procesy bezołowiowe SAC305 i z ołowiem Sn63Pb37, temperatury stref, szybkości nagrzewania oraz zgodność z normą J-STD-020 dotyczącą wrażliwości na wilgoć dla elektroniki produkowanej w Chinach.
Lutowanie rozpływowe topi pastę lutowniczą, tworząc trwałe połączenia między komponentami montowanymi powierzchniowo a polami lutowniczymi PCB. Profil termiczny — krzywa czas–temperatura, jaką przechodzi płytka przez piec rozpływowy — jest najważniejszą zmienną procesową. Nieprawidłowy profil powoduje zimne złącza, tombstoning, pękanie komponentów lub wrzenie elektrolitu; wszystkie te wady przechodzą przez inspekcję wizualną, a ujawniają się dopiero podczas eksploatacji. Weryfikacja profilu jest kluczowym elementem inspekcji jakości w każdym projekcie montażu PCB.
Przegląd
Konwejerowy piec rozpływowy ma 6–14 stref temperaturowych. Płytka przesuwa się przez każdą strefę z kontrolowaną prędkością, przechodząc przez rosnący i opadający profil temperaturowy. Profil musi nagrzać płytkę wystarczająco, aby całkowicie stopić i zwilżyć spoiwo, jednocześnie nie przekraczając limitów temperaturowych żadnego komponentu na płytce. W przypadku montażu mieszanego (piny THT lutowane falą na płytce z istniejącymi komponentami SMD lutowanymi rozpływowo) profil rozpływowy nie może też ponownie stopić złączy z poprzedniego procesu.
Dwa dominujące systemy lutownicze w produkcji w Chinach:
- SAC305 (Sn96,5/Ag3,0/Cu0,5): bezołowiowy, zgodny z RoHS, temperatura likwidusu 217°C
- Sn63Pb37: z ołowiem, temperatura likwidusu 183°C — nadal stosowany w aplikacjach przemysłowych, wojskowych i niektórych wymagających wysokiej niezawodności, zwolnionych z RoHS
Kluczowe parametry
| Parametr | SAC305 (bezołowiowy) | Sn63Pb37 (z ołowiem) | Uwagi |
|---|---|---|---|
| Temperatura likwidusu | 217°C | 183°C | Pełna temperatura topnienia |
| Szybkość nagrzewania w strefie wstępnego podgrzewania | 1–3°C/s | 1–2°C/s | Zbyt szybka = szok termiczny |
| Temperatura strefy namaczania | 150–200°C | 140–170°C | Aktywacja topnika, odgazowanie |
| Czas namaczania | 60–120 s | 60–90 s | Poniżej likwidusu |
| Temperatura szczytowa | 235–250°C | 205–225°C | W najgorętszym punkcie płytki |
| Margines ponad likwidusem | +18–33°C | +22–42°C | Zapewnia pełne zwilżenie |
| Czas ponad likwidusem (TAL) | 30–90 s | 30–60 s | Zbyt długi = uszkodzenie komponentów |
| Chłodzenie ze szczytu do otoczenia | ≤4°C/s | ≤4°C/s | Szybsze = zimne złącze, kruchość |
| Maksymalna szybkość nagrzewania | 3°C/s | 2°C/s | Ryzyko pęknięcia kondensatorów ceramicznych |
Opis profilu strefa po strefie
Strefy 1–3: Wstępne podgrzewanie (25°C → 150°C) Cel: stopniowe podnoszenie temperatury płytki, aby uniknąć szoku termicznego, który powoduje pękanie wielowarstwowych kondensatorów ceramicznych (MLCC). Szybkość nagrzewania nie może przekraczać 3°C/s (SAC305) ani 2°C/s (z ołowiem). Na tym etapie odprowadzana jest resztkowa wilgoć z płytki i obudów komponentów. Jeśli wilgoć nie zostanie odprowadzona przed strefą namaczania, odparuje w paście lutowniczej, tworząc puste przestrzenie (voids).
Strefy 3–5: Namaczanie/Aktywacja (150–200°C dla SAC305) Topnik pasty lutowniczej aktywuje się i czyści powierzchnie pól i komponentów (usuwając tlenki). Pasta musi pozostać w tej strefie wystarczająco długo dla pełnej aktywacji — 60–120 sekund. Za krótko: słabe zwilżenie na utlenionych polach. Za długo: topnik wypala się przed lutowaniem rozpływowym, co też powoduje słabe zwilżenie. Podczas namaczania temperatura płytki wyrównuje się na całym panelu — jest to kluczowe dla płytek z dużymi różnicami masy termicznej między strefami.
Strefy 5–7: Lutowanie rozpływowe (ponad likwidusem, 217–250°C dla SAC305) Spoiwo topi się, zwilża pole i zakończenie komponentu, tworząc złącze. Czas ponad likwidusem (TAL) wynoszący 30–90 sekund zapewnia pełne zwilżenie bez przegrzewania komponentów. Temperatura szczytowa jest mierzona w najzimniejszym punkcie płytki (pod największą masą termiczną, taką jak złącze zasilające lub duże pole radiatora). Wiele fabryk mierzy szczyt w najłatwiejszym miejscu dla termopary — wymagaj, aby termopara była umieszczona pod komponentem o największym obciążeniu termicznym.
Strefa chłodzenia: szczyt → 100°C Szybkie, ale kontrolowane chłodzenie (<4°C/s). Zbyt wolne: warstwa intermetaliczna rośnie grubsza, zmniejszając wytrzymałość złącza z czasem. Zbyt szybkie: szok termiczny, lub struktura złącza lutowniczego nie ma wystarczająco dużo czasu na organizację — może to prowadzić do ziarnistych, kruchych złączy. Atmosfera azotowa (jeśli stosowana) zapobiega ponownemu utlenianiu podczas chłodzenia.
Alternatywy niskotemperaturowe
SnBiAg (np. Sn42/Bi57/Ag1): Likwidus ~138°C, profil szczytowy 150–165°C. Stosowany dla komponentów wrażliwych na ciepło, które nie mogą wytrzymać szczytów SAC305 wynoszących 250°C — niektóre QFN z cienkim przetworniki, pewne moduły wyświetlaczy, komponenty ze złączami plastikowymi ocenionymi na 180°C. Niższe temperatury szczytowe zmniejszają wypaczanie PCB w płytkach o dużych formatach. Kompromis: niższa wytrzymałość na rozciąganie i odporność na zmęczenie termiczne niż SAC305. Niezalecane dla zastosowań o dużych wibracjach lub cyklicznych zmianach temperatury.
Poziomy wrażliwości na wilgoć J-STD-020 (MSL)
Komponenty pochłaniają wilgoć podczas przechowywania. Jeśli nasycone wilgocią komponenty trafią do pieca rozpływowego, woda odparowuje i rozszerza się wewnątrz obudowy szybciej, niż może uciec, powodując wewnętrzne rozwarstwianie się („popcorning”) — często niewidoczne zewnętrznie, ale niszczące dla niezawodności. J-STD-020 klasyfikuje komponenty według szybkości pochłaniania wilgoci do niebezpiecznych poziomów:
| Poziom MSL | Żywotność na stanowisku (przy 30°C/60% RH) | Wymagane suszenie przed lutowaniem? |
|---|---|---|
| MSL 1 | Nieograniczona | Nie (ale przechowywać szczelnie) |
| MSL 2 | 1 rok | Jeśli przekroczono żywotność |
| MSL 2a | 4 tygodnie | Jeśli przekroczono żywotność |
| MSL 3 | 168 godzin (1 tydzień) | Tak, jeśli >168 godz. od otwarcia |
| MSL 4 | 72 godziny | Tak |
| MSL 5 | 48 godzin | Tak |
| MSL 5a | 24 godziny | Tak |
| MSL 6 | TOL (czas na etykiecie) | Zawsze susz zgodnie z etykietą |
Układy BGA i QFN często mają poziom MSL 3 lub wyższy. Jeśli były przechowywane na otwartym przez ponad 168 godzin (lub fabryka nie może potwierdzić warunków przechowywania), muszą być suszone przed lutowaniem: 125°C przez 8–24 godziny w zależności od grubości obudowy i poziomu MSL, zgodnie z J-STD-033.
Zapytaj fabrykę: „Jak śledzicie poziomy MSL komponentów? Czy logujecie datę otwarcia szpul?” Jeśli nie mają procedury, jesteś narażony na ryzyko.
Lutowanie w atmosferze azotowej
Zastąpienie powietrza azotem (O₂ <100 ppm) wewnątrz pieca zapobiega utlenianiu spoiwa i pól podczas lutowania. Korzyści: lepsze zwilżenie, niższy wskaźnik defektów dla komponentów drobno rozmieszczonych, możliwość stosowania topnika bezremankowego z minimalną pozostałością. Koszt: zwiększa koszty o 0,10–0,30 USD/płytkę za zużycie azotu. Wymagane dla: niektórych bezołowiowych procesów bezrmankowych na układach BGA o skoku 0,3 mm; zalecane dla montaży klasy 3 o wysokiej niezawodności.
Co należy określić przy zamówieniu z Chin
- Stop lutowniczy: SAC305, Sn63Pb37 lub konkretny stop niskotemperaturowy — podaj który i powołaj się na oznaczenie stopu wg J-STD-006
- Procedura obsługi MSL: wymagaj od fabryk dokumentowania poziomów MSL komponentów i historii suszenia; umieść to jako pozycję na liście kontrolnej audytu fabryki
- Charakteryzacja profilu dla twojej płytki: wymagaj loga z termopary z pierwszego przebiegu produkcyjnego umieszczonej w najgorszym miejscu termicznym, a nie ogólnego zapisanego profilu
- Atmosfera azotowa: określ „tak” lub „nie” — jeśli nie podasz, większość fabryk domyślnie stosuje powietrze
- Inspekcja pierwszego artykułu (FAI): wymagaj prześwietlenia rentgenowskiego i przekroju poprzecznego jednej płytki z pierwszego panelu, aby zweryfikować jakość złączy przed zatwierdzeniem produkcji masowej
Kontrole jakości
Ostateczna kontrola: profil zarejestrowany termoparą dla twojej konkretnej płytki, z termoparą przyklejoną od spodu do komponentu o największej masie termicznej. Porównaj zmierzoną temperaturę szczytową, TAL i szybkości nagrzewania z tabelą specyfikacji powyżej. Wymagaj tego jako części dokumentacji inspekcji pierwszego artykułu.
Mikroskopia przekrojów złączy BGA ujawnia: grubość warstwy intermetalicznej (idealnie 1–3 µm), procent pustych przestrzeni i geometrię złącza. W produkcji, rentgen AXI potwierdza formowanie złączy na każdej płytce.
Częste problemy
Zimne złącza lutownicze na SAC305: Niewystarczająca temperatura szczytowa lub zbyt krótki TAL. SAC305 wymaga wyższego szczytu niż spoiwo z ołowiem — fabryki używające pasty SAC305 z profilem dostrojonym dla spoiwa ołowiowego będą produkować zimne złącza, które mogą testować dobrze elektrycznie (rezystancja styku), ale zawodzą termomechanicznie pod wpływem wibracji lub cyklicznych zmian temperatury.
Pękanie kondensatorów MLCC: Szybkość nagrzewania przekroczyła 3°C/s w strefie wstępnego podgrzewania, lub płytka została wrzucona do zimnego uchwytu bezpośrednio po lutowaniu. Kondensatory MLCC (szczególnie 0402 i 0201 X7R/X5R) są kruche; gradient termiczny na ich ciele powoduje mechaniczne pęknięcia. Mikropęknięcia często przechodzą testy elektryczne w temperaturze pokojowej, ale zawodzą w podwyższonej temperaturze lub po naprężeniu mechanicznym.
Awaria kondensatorów elektrolitycznych: Temperatura szczytowa przekroczyła ocenę komponentu (zazwyczaj 260°C przez 10 sekund wg J-STD-020). Elektrolit wrze, wentylując kondensator. Częstsze na płytkach o dużej gęstości, gdzie przepływ powietrza w piecu jest nierównomierny i tworzą się gorące miejsca. Zweryfikuj oceny temperaturowe komponentów względem profilu pieca w najgorszym przypadku.
Powiązane zasoby
- Proces montażu SMT — pełny przepływ linii SMT
- Kryteria akceptacji IPC-A-610 — klasyfikacja jakości złączy
- Wytyczne DFM — zasady projektowania wpływające na zachowanie profilu termicznego
- Lista kontrolna audytu fabryki
- Usługi inspekcji jakości
- Produkcja i montaż PCB w Chinach
- Przewodnik kupującego po montażu PCB w Chinach