Термопрофили пайки оплавлением: SAC305, бессвинцовый и свинцовый процессы
Технический справочник по термопрофилям пайки оплавлением: бессвинцовый процесс SAC305 и свинцовый Sn63Pb37, температуры зон, скорости нагрева и соответствие требованиям J-STD-020 по уровням чувствительности к влаге для электроники, производимой в Китае.
Пайка оплавлением расплавляет паяльную пасту для формирования постоянных соединений между компонентами поверхностного монтажа и контактными площадками платы. Термопрофиль — кривая «время-температура», по которой плата проходит через печь оплавления — является наиболее важной переменной процесса. Неверный профиль вызывает холодные пайки, вставание на дыбы (tombstoning), растрескивание компонентов или закипание электролита — всё это проходит визуальный контроль, но отказывает в эксплуатации. Верификация профиля — ключевой элемент контроля качества для любого проекта по сборке печатных плат.
Общая информация
Конвейерная печь оплавления имеет 6–14 температурных зон. Плата движется через каждую зону с заданной скоростью, проходя по нарастающему и спадающему температурному профилю. Профиль должен прогреть плату достаточно для полного расплавления и смачивания припоя, не превышая при этом пределов повреждения каждого компонента на плате. Для смешанных сборок (выводные компоненты, впаянные волной в плату с уже имеющимися SMD-компонентами, пропаянными оплавлением), профиль оплавления не должен повторно расплавить соединения предыдущего процесса.
Две доминирующие системы припоев в производстве в Китае:
- SAC305 (Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5): бессвинцовый, соответствующий RoHS, температура ликвидуса 217°C
- Sn63Pb37: свинцовый, ликвидус 183°C — по-прежнему применяется для промышленных, военных и некоторых высоконадёжных применений, освобождённых от требований RoHS
Ключевые параметры
| Параметр | SAC305 (бессвинцовый) | Sn63Pb37 (свинцовый) | Примечания |
|---|---|---|---|
| Температура ликвидуса | 217°C | 183°C | Полная точка плавления |
| Скорость нагрева на участке предварительного прогрева | 1–3°C/с | 1–2°C/с | Слишком быстро = термоудар |
| Температура зоны выдержки | 150–200°C | 140–170°C | Активация флюса, дегазация |
| Длительность выдержки | 60–120 с | 60–90 с | Ниже ликвидуса |
| Пиковая температура | 235–250°C | 205–225°C | В самой горячей точке платы |
| Превышение над ликвидусом | +18–33°C | +22–42°C | Обеспечивает полное смачивание |
| Время выше ликвидуса (TAL) | 30–90 с | 30–60 с | Слишком долго = повреждение компонентов |
| Охлаждение от пика до окружающей среды | ≤4°C/с | ≤4°C/с | Быстрее = холодная пайка, хрупкость |
| Максимальная скорость нагрева | 3°C/с | 2°C/с | Риск растрескивания керамических конденсаторов |
Пошаговое описание зон профиля
Зоны 1–3: Предварительный прогрев (25°C → 150°C) Цель: постепенный подъём температуры платы во избежание термоудара, который вызывает растрескивание многослойных керамических конденсаторов (MLCC). Скорость нагрева не должна превышать 3°C/с (SAC305) или 2°C/с (свинцовый). На этом этапе из платы и корпусов компонентов удаляется остаточная влага. Если влага не удалена до зоны выдержки, она испаряется в паяльной пасте и образует поры.
Зоны 3–5: Выдержка/активация (150–200°C для SAC305) Флюс паяльной пасты активируется и очищает поверхности площадок и выводов компонентов (удаление оксидов). Паста должна оставаться в этой зоне достаточно долго для полной активации — 60–120 секунд. Слишком коротко: плохое смачивание окислённых площадок. Слишком долго: флюс выгорает до оплавления, что также приводит к плохому смачиванию. Во время выдержки температура платы выравнивается по всей панели — это критически важно для плат с большими различиями тепловой массы между зонами.
Зоны 5–7: Оплавление (выше ликвидуса, 217–250°C для SAC305) Припой плавится, смачивает площадку и вывод компонента, формируя соединение. Время выше ликвидуса (TAL) 30–90 секунд обеспечивает полное смачивание без перегрева компонентов. Пиковая температура измеряется в самой холодной точке платы (под компонентом с наибольшей тепловой массой — силовым разъёмом или большим теплоотводящим полигоном). Многие заводы измеряют пик в наиболее удобном месте для термопары — требуйте, чтобы термопара располагалась под самым теплонагруженным компонентом.
Зона охлаждения: от пика до 100°C Быстрое, но контролируемое охлаждение (<4°C/с). Слишком медленно: интерметаллический слой утолщается, снижая прочность соединения со временем. Слишком быстро: термоудар или недостаточное время для организации структуры паяного соединения — могут образоваться зернистые, хрупкие соединения. Атмосфера азота (при использовании) предотвращает повторное окисление при охлаждении.
Низкотемпературные альтернативы
SnBiAg (например, Sn42/Bi57/Ag1): Ликвидус ~138°C, пиковый профиль 150–165°C. Применяется для термочувствительных компонентов, не выдерживающих пики 250°C SAC305 — некоторые QFN с тонким кристаллом, определённые модули дисплеев, компоненты с пластиковыми разъёмами, рассчитанными на 180°C. Более низкие пиковые температуры снижают коробление PCB на платах большого формата. Компромисс: меньшая прочность на разрыв и стойкость к термической усталости по сравнению с SAC305. Не рекомендуется для применений с высокой вибрацией или термоциклированием.
Уровни чувствительности к влаге по J-STD-020 (MSL)
Компоненты поглощают влагу при хранении. Если насыщенные влагой компоненты попадают в печь оплавления, вода испаряется и расширяется внутри корпуса быстрее, чем успевает выйти, вызывая внутреннее расслоение («попкорнинг») — часто внешне не видимое, но катастрофически снижающее надёжность. J-STD-020 классифицирует компоненты по скорости поглощения влаги до опасного уровня:
| Уровень MSL | Срок напольного хранения (при 30°C/60% ОВ) | Необходима сушка перед пайкой? |
|---|---|---|
| MSL 1 | Неограничен | Нет (но хранить запечатанными) |
| MSL 2 | 1 год | При превышении срока хранения |
| MSL 2a | 4 недели | При превышении срока хранения |
| MSL 3 | 168 часов (1 неделя) | Да, если прошло >168 ч с момента вскрытия |
| MSL 4 | 72 часа | Да |
| MSL 5 | 48 часов | Да |
| MSL 5a | 24 часа | Да |
| MSL 6 | TOL (время на этикетке) | Всегда сушить согласно этикетке |
BGA и QFN часто имеют MSL 3 или выше. Если они хранились в открытом виде более 168 часов (или завод не может подтвердить условия хранения), перед пайкой их необходимо просушить: 125°C в течение 8–24 часов в зависимости от толщины корпуса и уровня MSL, согласно J-STD-033.
Спросите у завода: «Как вы отслеживаете MSL для компонентов? Фиксируете ли время вскрытия катушек?» Если процедуры нет — вы рискуете.
Пайка оплавлением в атмосфере азота
Замена воздуха азотом (O₂ <100 ppm) внутри печи предотвращает окисление припоя и площадок при оплавлении. Преимущества: лучшее смачивание, меньший процент дефектов на компонентах с мелким шагом, возможность использования безотмывочного флюса с минимальным остатком. Стоимость: добавляет $0,10–0,30 на плату за потребление азота. Обязательно для: некоторых бессвинцовых безотмывочных процессов на BGA с шагом 0,3 мм; рекомендуется для высоконадёжных сборок класса 3.
Что указывать при заказе в Китае
- Сплав припоя: SAC305, Sn63Pb37 или конкретный низкотемпературный сплав — указать точно с ссылкой на обозначение сплава по J-STD-006
- Процедура обращения с MSL: требовать от заводов документирования уровней MSL компонентов и истории сушки; включить в чек-лист аудита завода
- Профилирование на вашей конкретной плате: требовать журнал записи термопар с первого производственного запуска, расположенных в наихудшем тепловом месте, а не стандартный сохранённый профиль
- Атмосфера азота: указать «да» или «нет» — если не указано, большинство заводов используют воздух по умолчанию
- Инспекция первого изделия (FAI): требовать рентгенографию и поперечное сечение одной платы из первой панели для проверки качества соединений до утверждения серийного производства
Проверки качества
Окончательная проверка: профиль, зафиксированный термопарами для конкретной платы, с термопарой, закреплённой на нижней стороне компонента с наибольшей тепловой массой. Сравните измеренную пиковую температуру, TAL и скорости нагрева с таблицей параметров выше. Запрашивайте это как часть документации инспекции первого изделия.
Металлографический поперечный разрез паяных соединений BGA позволяет увидеть: толщину интерметаллического слоя (идеально 1–3 мкм), процент пористости и геометрию соединения. Для серийного производства рентгеновский AXI подтверждает формирование соединений на каждой плате.
Типичные проблемы
Холодные паяные соединения на SAC305: Недостаточная пиковая температура или слишком короткое TAL. SAC305 требует более высокого пика, чем свинцовый — заводы, прогоняющие пасту SAC305 через профиль, настроенный для свинцового припоя, получат холодные пайки, которые могут показывать нормальное электрическое сопротивление контакта, но отказывать термомеханически при вибрации или термоциклировании.
Растрескивание MLCC: Скорость нагрева превысила 3°C/с на участке предварительного прогрева, или плата была брошена в холодный фиксатор сразу после оплавления. MLCC (особенно 0402 и 0201 X7R/X5R) хрупки; температурный градиент по их корпусу вызывает механические трещины. Микротрещины часто проходят электрические испытания при комнатной температуре, но отказывают при повышенной температуре или после механических нагрузок.
Отказ электролитических конденсаторов: Пиковая температура превысила номинальный предел компонента (обычно 260°C в течение 10 секунд по J-STD-020). Электролит закипает, стравливая конденсатор. Чаще встречается на высокоплотных платах, где воздушный поток в печи неравномерен и образуются горячие точки. Проверьте температурные характеристики компонентов относительно наихудшего профиля печи.
Связанные ресурсы
- Процесс SMT-монтажа — полный технологический поток SMT-линии
- Критерии приёмки IPC-A-610 — классификация качества соединений
- Рекомендации по DFM — конструктивные правила, влияющие на поведение термопрофиля
- Чек-лист аудита завода
- Услуги по контролю качества
- Поставки PCB и SMT-монтажа
- Руководство покупателя по сборке PCB в Китае