V čem nám může pomoci pájení v parách

Některé nepříjemné problémy spojené s pájením bezolovnatých slitin a jejich souvislosti s kondenzačním pájením

Jedním z důvodů, proč technologie kondenzačního pájení získává stále větší oblibu, je, že požadavky na bezolovnaté pájení a miniaturizaci produktů dosavadní většinová technologie konvekčního pájení DPS není schopna zcela uspokojivě řešit. Výhody kondenzačního pájení jsou mnohé a mnohé bylo v této technologii v průběhu let i velmi uspokojivě dořešeno, např. minimalizace tombstoning efektu v posledních letech. Podívejme se nyní na jiné problémy, které se dostávají do popředí odborných diskuzí znovu v poslední době, a to je tvorba voidů a minimalizace popcorning efektu / delaminace DPS. Povšimněme si, kde můžeme hledat výhody kondenzačního pájení ve světle těchto problémů.

Eliminace voidů

Voidy v bezolovnatých pájených spojích jsou převážně vytvářeny buď zachycením plynů, které se do objemu pájky dostanou, nebo „uvězněním“ zbytků tavidel. Návrh DPS, pájecí pasta, tvorba a výběr teplotního profilu jsou tři největší faktory, které minimalizaci voidů ovlivňují a které stojí za prozkoumání. Nastavení vyváženého teplotního profilu u tradičních konvekčních pecí je časově velmi náročné, je potřeba provést a často pečlivě diagnostikovat kroky vedoucí ke stanovení bezpečného profilu. S ohledem na tvorbu voidů je nutné, aby byla přesně nastavena teplota v peaku tak, aby přehřátím nedocházelo k vyvaření tavidla nebo jeho zapouzdření v objemu pájky. U teplotně řízených zařízení pro kondenzační pájení k přehřátí nedochází, současně je velmi snadné naprogramovat různé smáčecí profily a programovací čas je přitom minimální. Dovoluje to relativně jednoduchý princip vlastního pájení i samotného technického řešení takového zařízení. Porovnáním obou technologií zjistíme, že zatímco naprogramování odpovídajících profilů u konvekční pece může trvat hodiny, u kondenzačního pájení jde o záležitost několika minut.

Dnešní zařízení pro pájení v parách řeší problém přesného profilování vylepšenou pájecí automatikou, kombinací zlepšených vlastností přenosu tepla inertními parami a pečlivě řízeným ponořením DPS do páry v oblasti, kde dochází k předehřevu a vytvoření podmínek pro nasmáčení pájky.

Základním rozdílem mezi konvekční reflow pecí a zařízením pro pájení v parách je účinnost přenosu tepla. Zatímco doba potřebná k dosažení likvidu u konvekčního přetavení může zvednout maximální teplotu až o 30–35 °C, u kondenzačního pájení je maximální teplota DPS omezena teplotou páry, která je vždy volena blízko bodu přetavení pájky. Při použití bezolovnaté SnAgCu pájky to je pouze okolo 230 °C.

Z pohledu teplotního profilování u kondenzačního pájení je DPS postupně zanořena do par řízeným procesem zanoření. Jakmile teplota DPS dosáhne přednastavené plató, je vysunuta zpět na rozhraní par. Po uplynutí předehřívací a smáčecí doby kolem 60 vteřin je DPS polohována opět směrem do par přes definované diskrétní tepelné úrovně. Tím je řízen gradient a čas k dosažení přetavení (viz obr. 4). Možnost ovládání pohybu DPS mezi různými teplotními hladinami dovoluje velmi citlivě regulovat tepelné dávky. Pájecí doba (doba nad likvidem) je v pájecím profilu jednoznačně přednastavena a řízena strojem. Vzhledem k tomu, že teplota DPS nemůže překročit teplotu páry, v níž se nachází, nemůže dojít k přehřátí v jakékoliv oblasti celého systému.

Eliminace popcorningu / delaminace

Tlak páry v plastech a laminátech může způsobit na povrchu DPS tzv. popcorn efekt, kdy povrch desky jako by zpuchýřovatí, nebo přímou delaminaci. U konvekční reflow pece může teplota DPS snadno dosáhnout 260 °C nebo i více. U velmi dobře dimenzovaných pecí pro bezolovnaté pájení je teplota DPS minimálně na úrovni 250 °C. S rostoucí teplotou narůstá rovněž tlak par exponenciálně. Porovnatelně k tomuto je doporučená maximální teplota pro kondenzační pájení SAC pájky 230 °C, protože teplota tání této pájky je 221 °C.

U kondenzačního pájení dochází k přenosu tepla na pájený spoj z celého prostoru kolem vlastního spoje. Páry jsou přítomny rovnoměrně kolem DPS a na chladnějším povrchu kondenzují a tím předají kondenzační teplo pájenému místu, bez ohledu na charakter tohoto místa. V konvekční peci mohou proces nahřátí proudící vzdušninou nepříznivě ovlivnit lokální hustota součástek na DPS nebo součástky s vývody ze spodní strany. V těchto místech je často nutné množství přiváděného tepla zvýšit. Důsledkem toho je, že oblasti s vyšší hustotou součástek nebo pouzdra typu např. BGA vyžadují delší dobu pobytu nad likvidem, aby došlo k potřebnému přenosu tepla. Je nutno počítat s větší absorbcí tepla v oblastech hmotnějších a s teplotními stíny na spodní straně pouzder. Nedostatek tepla v těchto případech znamená nezapájené spoje nebo studené spoje, naopak přemíra tepla může vést k poruchám právě spojeným např. s delaminací.

Efekty způsobené různými dilatacemi materiálů, jednostranným tepelným zatížením, nerovnoměrností distribuce tepla, ať už vyústí v přímé poškození nosné DPS, nebo vedoucí např. k průhybům DPS vnášejícím nejistotu do pájení speciálně třeba BGA pouzder, je nutné při tvorbě pájecího profilu konvekční pece pečlivě vážit. Inertní prostředí vytvořené parami v procesu kondenzačního pájení s homogenní distribucí tepla tato rizika významně snižuje. Velmi pozitivně ovlivňuje kondenzační pájení díky regulovaným tepelným dávkám i tvorbu voidů v pájených spojích, které je možné dále eliminovat využitím vakua. Použitím vakua u zařízení s kondenzačním pájením je jednoduché a je možné eliminovat voidy až na úroveň nižší než 2 %. Synergie těchto efektů u kondenzačního pájení způsobuje nejenom větší bezpečnost a bezvadnost zapájených sestav, ale dovoluje dosahovat lepších výsledků především u DPS s vysokou integrací součástek, s jejich nerovnoměrným rozložením po povrchu desky nebo tam, kde je vyžadována vysoká kvalita spoje s vysokou jistotou. Obliba kondenzačního pájení roste všude tam, kde se s těmito problémy potkáváme často a nenadále. Zkrátka tam, kde je nutno být v procesu pájení současně velmi flexibilní.