Αρχή λειτουργίας της πάστας συγκόλλησης;

Αν έχετε αναρωτηθεί ποτέ γιατί αυτά τα μικροσκοπικά τσιπ μένουν κολλημένα στη μητρική πλακέτα του τηλεφώνου σας αντί να κροταλίζουν σαν ανταλλακτικά,πάστα συγκόλλησηςείναι η απάντησή σου. Είναι ένα από εκείνα τα υλικά που κάνουν πολύ περισσότερα από όσα του δίνουν οι άνθρωποι.

Στον πυρήνα της, η πάστα συγκόλλησης είναι ένα γκρι, ελαφρώς χοντροκομμένο μείγμα. Σκεφτείτε το σαν μια πολύ ακριβή οδοντόκρεμα από μέταλλο. Έχετε αυτές τις μικροσκοπικές σφαίρες από κράμα συγκόλλησης-συνήθως κάπου μεταξύ 20 και 50 μικρών σε διάμετρο-αναρτημένες σε ένα κολλώδες μέσο ροής. Η σκόνη αποτελεί περίπου 85-90% κατά βάρος στις περισσότερες συνθέσεις.

Το ίδιο το κράμα; Εκεί τα πράγματα γίνονται ενδιαφέροντα, και ειλικρινά, εδώ θα μπορούσα να μιλάω για ώρες. Ο παραδοσιακός κασσίτερος-μόλυβδος (SnPb) ήταν η αγαπημένη του κλάδου για δεκαετίες. Το Eutectic 63/37 SnPb λιώνει ακριβώς στους 183 βαθμούς με μηδενικό εύρος πάστας. Καθαρό, προβλέψιμο, υπέροχο στη δουλειά. Στη συνέχεια, το RoHS συνέβη το 2006 και ο κόσμος των ηλεκτρονικών ανακατεύτηκε προς-ελεύθερες εναλλακτικές λύσεις όπως το SAC305 (96,5% κασσίτερος, 3% ασήμι, 0,5% χαλκός) το οποίο χρειάζεται υψηλότερες θερμοκρασίες αναρροής γύρω στους 217 βαθμούς .

Αλλά ειλικρινά, το μεταλλικό μέρος δεν είναι ο πρωταγωνιστής της παράστασης εδώ.

εικόνα

Να κάτι που μου πήρε πολύ χρόνο για να το εκτιμήσω πλήρως: η συγκόλληση δεν κολλάει στο μέταλλο. Κολλάει σεκαθαρόςμέταλλο. Και καθαρό μέταλλο, σε υψηλή θερμοκρασία, βασικά δεν υπάρχει σε ανοιχτό χώρο.

Ο χαλκός οξειδώνεται. Γρήγορα. Τη στιγμή που το θερμαίνετε, αυτή η γυαλιστερή επιφάνεια αρχίζει να σχηματίζει οξείδιο του χαλκού και το οξείδιο του χαλκού είναι απολύτως τρομερό για συγκόλληση. Οξείδια κασσιτέρου σχηματίζονται στις ίδιες τις σφαίρες συγκόλλησης. Όλα προσπαθούν συνεχώς να σκουριάσουν, να διαβρωθούν, να οξειδωθούν-όπως θέλετε πείτε τα.

Αυτό είναι όπου η ροή κερδίζει τον μισθό της.

Το συστατικό ροής στην πάστα συγκόλλησης εκτελεί έναν ειλικρινά εντυπωσιακό χημικό χορό:

Διάλυση οξειδίου

Οι περισσότερες ροές περιέχουν οργανικά οξέα-αβιετικό οξύ σε σκευάσματα με βάση το κολοφώνιο- ή πιο επιθετικές ενώσεις αλογονιδίου για επίμονα στρώματα οξειδίου. Όταν θερμαίνονται, αυτά τα οξέα προσβάλλουν χημικά τις μεμβράνες μεταλλικών οξειδίων, μετατρέποντάς τις σε διαλυτά μεταλλικά άλατα που παρασύρονται από την περιοχή της άρθρωσης. Το υποκείμενο καθαρό μέταλλο εκτίθεται, εν συντομία, πολύτιμα.

Φράγμα οξυγόνου

Το υγρό flux επικαλύπτει τις εκτεθειμένες μεταλλικές επιφάνειες σαν προστατευτική κουβέρτα. Αποτρέπει φυσικά το ατμοσφαιρικό οξυγόνο από το να αγγίξει το καυτό μέταλλο και την επανοξειδώνει{{1} του κατά τη διάρκεια των κρίσιμων δευτερολέπτων όταν πρέπει να συμβεί διαβροχή.

Τροποποίηση επιφανειακής τάσης

Η λεπτή αλλά κρίσιμη-ροή μειώνει την επιφανειακή τάση στη διεπαφή υγρής συγκόλλησης/μετάλλου. Χωρίς αυτό, η λιωμένη κόλληση θα έμπαινε στο τακάκι όπως το νερό σε ένα κερωμένο αυτοκίνητο. Με αυτό, η συγκόλληση απλώνεται, βρέχει, κολλάει.

Υπάρχουν διαφορετικές χημικές ροές-όχι-καθαρές, υδατοδιαλυτές-διαλυτές στο νερό, ελαφρώς ενεργοποιημένο κολοφώνιο (RMA)-αλλά όλες εξυπηρετούν αυτές τις βασικές λειτουργίες. Η επιλογή εξαρτάται από την εφαρμογή σας και από το αν θέλετε να καθαρίσετε την πλακέτα μετά. Μερικά αφήνουν υπολείμματα που φαίνονται τρομερά αλλά είναι ηλεκτρικά ακίνδυνα. Άλλα είναι ενεργά διαβρωτικά και πρέπει οπωσδήποτε να ξεπλυθούν.

Έτσι, έχετε εναποθέσει πάστα σε επιθέματα PCB, εξαρτήματα τοποθετημένα από πάνω. Τώρα τι; Το συγκρότημα περνά μέσα από έναν φούρνο επαναροής, και εδώ η φυσική και η χημεία συνεργάζονται με τρόπους που εξακολουθούν να με συναρπάζουν.

Προθέρμανση

Η σανίδα μπαίνει σε θερμοκρασία δωματίου. Συγκλονίστε ένα κρύο συγκρότημα με 250 μοίρες και θα σπάσετε εξαρτήματα, θα σκάσετε μπάλες συγκόλλησης παντού, πιθανώς να ξεφλουδίσετε την ίδια την πλακέτα. Δεν είναι καλό.

Αντίθετα λοιπόν: ήπια θέρμανση. Περίπου 1-3 βαθμός ανά δευτερόλεπτο είναι τυπική. Ο στόχος είναι να φτάσει τα πάντα σε περίπου 150 μοίρες χωρίς δράμα. Αυτή η φάση αρχίζει επίσης να εξατμίζει τους διαλύτες στη ροή - θέλετε να εξαφανιστούν πριν φτάσετε στις μέγιστες θερμοκρασίες, διαφορετικά θα έχετε κενά και πιτσίλισμα.

Μουλιάζω

Αυτή είναι η φάση της εξισορρόπησης. Κρατήστε τα πάντα γύρω από 150-200 μοίρες για 60-120 δευτερόλεπτα. Ο στόχος; Θερμική ομοιογένεια. Η θερμική μάζα ενός BGA δεν μοιάζει καθόλου με αυτή μιας αντίστασης 0402. Δώστε τους χρόνο να φτάσουν στην ίδια θερμοκρασία προτού τα ρίξετε μαζί στη ζώνη επαναροής.

Επίσης, και αυτό έχει σημασία-το εμποτισμό ενεργοποιεί τη ροή. Αυτά τα οργανικά οξέα γίνονται σωστά ενεργά σε υψηλές θερμοκρασίες. Πολύ σύντομο μούσκεμα και τα οξείδια παραμένουν. Πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα και εξαντλείτε τη ροή πριν καν ξεκινήσει η επαναροή. Τα ελαττώματα "κεφάλι-στο-μαξιλάρι" συχνά εντοπίζονται εδώ.

Ζώνη αναρροής

Τώρα μαγειρεύουμε. Οι ράμπες θερμοκρασίας γρήγορα πάνω από το σημείο τήξης του κράματος-το ονομάζουν 230-250 βαθμούς για τα κράματα SAC. Αυτό είναι το Time Above Liquidus, ή TAL, και συνήθως διατηρείται στα 30-60 δευτερόλεπτα.

Η λιωμένη συγκόλληση βρέχει τις εκτεθειμένες επιφάνειες των μαξιλαριών και τους ακροδέκτες των εξαρτημάτων. Η επιφανειακή τάση έλκει το υγρό μέταλλο στο ιδανικό σχήμα φιλέτου. Η μεταλλουργική σύνδεση συμβαίνει εδώ-τα άτομα κασσίτερου διαχέονται στην επιφάνεια του χάλκινου μαξιλαριού, σχηματίζοντας ένα λεπτό διαμεταλλικό σύνθετο στρώμα (συνήθως Cu6Sn5) που αγκυρώνει την άρθρωση. Χωρίς αυτό το διαμεταλλικό, έχετε απλώς τη συγκόλληση που κάθεται πάνω σε χαλκό αντί να είναι κολλημένη σε αυτόν.

Η μέγιστη θερμοκρασία έχει τεράστια σημασία. Πολύ χαμηλή και η διαβροχή είναι ατελής. Πολύ ψηλά και καταστρέφετε εξαρτήματα, επιταχύνετε τη διαμεταλλική ανάπτυξη, καίτε πιθανά υπολείμματα ροής σε μόνιμους άσχημους λεκέδες.

Ψύξη

Η γρήγορη ψύξη δημιουργεί δομές λεπτών κόκκων στη στερεοποιημένη συγκόλληση-που προτιμάται γενικά για μηχανική αντοχή. Αλλά «γρήγορο» δεν σημαίνει «στιγμιαίο». Κάτι σαν 3-4 βαθμοί ανά δευτερόλεπτο είναι χαρακτηριστικό. Πιο γρήγορα από αυτό και κινδυνεύετε από θερμικό σοκ στο άκρο ψύξης.

Θέλω να σταθώ στο βρέξιμο γιατί είναι ειλικρινά το όλο θέμα.

Όταν η συγκόλληση λιώνει και η ροή έχει κάνει τη δουλειά της αφαιρώντας τα οξείδια, το υγρό μέταλλο πρέπει να εξαπλωθεί σε όλη την επιφάνεια αντί να φουσκώσει. Αυτό συμβαίνει λόγω της διατομικής έλξης μεταξύ της συγκόλλησης και του βασικού μετάλλου. Οι καθαρές στοιχειώδεις μεταλλικές επιφάνειες έχουν υψηλή επιφανειακή ενέργεια-θέλωνα δένομαι με κάτι. Οι οξειδωμένες επιφάνειες δεν έχουν αυτήν την ενέργεια διαθέσιμη.

Η καλή διαβροχή σημαίνει ότι η γωνία επαφής μεταξύ της επιφάνειας συγκόλλησης και του μαξιλαριού είναι χαμηλή-η συγκόλληση απλώνεται ευρέως, σχηματίζει έναν απαλό μηνίσκο, ρέει προς τα πάνω στο καλώδιο του εξαρτήματος. Η κακή διαβροχή μοιάζει με συγκόλληση που κάθεται εκεί σε μια σταγόνα, χωρίς να αγγίζει τίποτα.

Η βιομηχανία πραγματικά βαθμολογεί αυτά τα πράγματα. Τα πρότυπα IPC ορίζουν πώς φαίνεται το "αποδεκτό" έναντι του "στόχου" έναντι του "ελαττώματος". Είναι πιο αυστηρό από όσο θα περίμενες.

Η ταφόπετρα είναι κλασική. Το ένα άκρο ενός μικρού παθητικού εξαρτήματος έχει καλύτερη διαβροχή από το άλλο, οπότε όταν λιώνει η συγκόλληση, η επιφανειακή τάση τραβάει πιο δυνατά στη μία πλευρά. Το εξάρτημα στέκεται όρθιο σαν ταφόπλακα. Συμβαίνει συνεχώς με τα 0402s και 0201s, εάν ο σχεδιασμός του μαξιλαριού ή ο όγκος της πάστας δεν είναι ισορροπημένος.

Κενά. Αέρας παγιδευμένος μέσα στις αρθρώσεις. Μειώνει τη θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα, εξασθενεί τη μηχανική αντοχή. Συχνά εντοπίζεται σε ροή αερίου που δεν μπορεί να ξεφύγει πριν στερεοποιηθεί η συγκόλληση.

Συγκολλήστε μπάλες. Μικρές σφαίρες συγκόλλησης διάσπαρτες γύρω από την σανίδα, μη κολλημένες σε οτιδήποτε. Συνήθως από πιτσίλισμα πάστας κατά την εκ νέου ροή, εάν οι διαλύτες δεν εξατμίστηκαν πλήρως κατά την προθέρμανση ή από υπερβολικό όγκο πάστας κατά την εκτύπωση με στένσιλ.

Το κεφάλι-σε-μαξιλάρι. Η μπάλα BGA μαλακώνει αλλά δεν ενώνεται πλήρως με την εναπόθεση πάστας. Παίρνετε αυτό που μοιάζει με σύνδεση αλλά δεν είναι. Φρικτό για την αξιοπιστία.

Στην πραγματικότητα, θα πρέπει να αναφέρω την εκτύπωση. Η πάστα πρέπει να μπει στα μαξιλαράκια με κάποιο τρόπο, και στην παραγωγή SMT αυτό είναι η εκτύπωση με στένσιλ-ένα λέιζερ-κομμένο φύλλο μετάλλου με ανοίγματα που αντιστοιχούν σε κάθε μαξιλαράκι. Το Squeegee σπρώχνει την πάστα μέσα από τα ανοίγματα. Απλό στην ιδέα, απολύτως επιπόλαιο στην πράξη.

Ο σχεδιασμός του διαφράγματος επηρεάζει τον τρόπο με τον οποίο απελευθερώνεται η πάστα από το στένσιλ. Τα πολύ-μικρά ανοίγματα σε σχέση με το πάχος του στένσιλ δίνουν κακή απελευθέρωση. Οι λόγοι διαστάσεων (πλάτος προς πάχος) και οι λόγοι επιφάνειας (εμβαδόν διαφράγματος προς πλευρικό τοίχωμα) υπολογίζονται προσεκτικά. 0.66 η ελάχιστη αναλογία επιφάνειας είναι ένας κοινός εμπειρικός κανόνας.

Η ρεολογία της πάστας έχει επίσης σημασία. Το υλικό πρέπει να είναι ψευδοπλαστικό-και ρέει όταν κόβεται από το μάκτρο, αλλά διατηρεί το σχήμα του μόλις αποτεθεί. Λάθος ιξώδες και έχετε είτε ολίσθηση (η πάστα απλώνεται σε γειτονικά τακάκια) είτε ανεπαρκείς επικαθίσεις.

Κράματα SAC

Τα κράματα SAC είναι πιο δύσκολο να δουλέψουν από τον παραδοσιακό κασσίτερο-μόλυβδο. Τα υψηλότερα σημεία τήξης σημαίνουν μεγαλύτερη θερμική καταπόνηση στα εξαρτήματα. Η συμπεριφορά διαβροχής είναι λιγότερο επιεικής. Τα διαμεταλλικά στρώματα αναπτύσσονται διαφορετικά. Οι τρόποι αποτυχίας αξιοπιστίας άλλαξαν.

Αλλά αυτός είναι ο κόσμος τώρα. Το RoHS δεν φεύγει. Οι κατασκευαστές έχουν αφιερώσει δύο δεκαετίες βελτιστοποιώντας διαδικασίες χωρίς μόλυβδο-και οι σύγχρονες συνθέσεις SAC είναι αρκετά ισχυρές. Απλά διαφορετικά.

Υπάρχουν εναλλακτικές λύσεις χαμηλής-θερμοκρασίας-με βάση το βισμούθιο-κράματα που λιώνουν περίπου στους 138 βαθμούς -χρήσιμα για ευαίσθητα στη θερμότητα συγκροτήματα- ή για μείωση του κόστους ενέργειας. Φέρνουν τις δικές τους προκλήσεις με μηχανική ευθραυστότητα, αλλά αυτό είναι μια εντελώς άλλη κουβέντα.

Ηλεκτρική συνέχεια. Μηχανική αντοχή. Μακροπρόθεσμη-αξιοπιστία υπό θερμική ανακύκλωση, κραδασμούς, έκθεση σε υγρασία.

Το διαμεταλλικό στρώμα είναι αρκετά παχύ ώστε να αποδεικνύεται ότι συνέβη η συγκόλληση, αλλά αρκετά λεπτό ώστε να μην γίνει εύθραυστο. Το σχήμα φιλέτου κατανέμει αποτελεσματικά το άγχος. Δεν υπάρχουν κενά που διακυβεύουν τις θερμικές διαδρομές. Χωρίς μόλυνση που εξασθενεί την πρόσφυση.

Υπάρχει ειλικρινά και ένα αισθητικό στοιχείο, αν και κανείς δεν θέλει να το παραδεχτεί. Μια όμορφη ένωση συγκόλλησης-γυαλιστερή (ή ματ, με SAC), συνεπής, λεία-συνήθως συσχετίζεται με μια καλή διαδικασία. Οι άσχημες αρθρώσεις συχνά υποδεικνύουν προβλήματα ακόμα και όταν περνούν τεχνικά.

Ορισμένες γραμμές παραγωγής ρέουν ξανά υπό άζωτο και όχι αέρα. Τα χαμηλότερα επίπεδα οξυγόνου σημαίνουν λιγότερη οξείδωση κατά τη διάρκεια της διαδικασίας, πράγμα που σημαίνει ότι τα σκευάσματα ασθενέστερης ροής μπορούν να επιτύχουν καλή διαβροχή. Λιγότερα υπολείμματα. Πιο λαμπερές αρθρώσεις.

Η ανταλλαγή είναι το κόστος και η πολυπλοκότητα. Το άζωτο δεν είναι ελεύθερο. Αλλά για δύσκολες συναρμολογήσεις ή όταν χρησιμοποιείτε ήπιες ροές χωρίς{2}}καθαρές, η ελεγχόμενη ατμόσφαιρα μπορεί να κάνει τη διαφορά.

Η πάστα συγκόλλησης λειτουργεί επειδή παρέχει τη συγκόλληση όπου χρειάζεται, συγκρατεί τα εξαρτήματα προσωρινά στη θέση τους και-μέσω του συστατικού ροής της-δημιουργεί τις χημικές συνθήκες για την πραγματοποίηση συγκόλλησης μετάλλου-με-μετάλλου. Η σκόνη παρέχει το υλικό σύνδεσης. Η ροή αφαιρεί τα εμπόδια στην διαβροχή. Η διαδικασία επαναροής παρέχει τη θερμική ενέργεια για να πραγματοποιηθούν όλα.

Είναι μια συντονισμένη χημική και φυσική διαδικασία που συμβαίνει σε περίπου τέσσερα λεπτά, δισεκατομμύρια φορές την ημέρα σε όλη τη βιομηχανία ηλεκτρονικών. Και όταν λειτουργεί σωστά, δεν το παρατηρείτε καθόλου-που είναι ακριβώς όπως θα έπρεπε.

Μερικές φορές τα πιο κρίσιμα υλικά είναι αυτά που δεν σκέφτεσαι ποτέ. Η πάστα συγκόλλησης είναι έτσι. Κάνει τη δουλειά του αόρατα, αμέτρητες φορές, σε κάθε συσκευή που διαθέτετε.