Температурные зоны в печи оплавления

Стандартные этапы профиля оплавления паяльной пасты

Печь оплавления делится на серию температурных зон, задача которых – сформировать нужную температуру на различных стадиях профиля оплавления паяльной пасты, который далее мы будем упрощенно называть термопрофилем. Скорость конвейера печи определяет время нахождения платы на каждом этапе термопрофиля. Всего выделяют 4 типовых этапа (стадии). Примерные значения температур приведены для оловянно-свинцовых паяльных паст. В зависимости от используемого флюса в паяльной пасте, эти значения могут быть другими.

1. Предварительный нагрев (разогрев):
• Температура: до 150°C.
• Функция: начало прогрева печатной платы и компонентов, испарение растворителей и паров воды, содержащихся в паяльной пасте.
• Проблемы: слишком быстрый нагрев может стать причиной деформации платы, образованию пустот в последующем паяном соединении и разбрызгиванию шариков припоя.
2. Выдержка (сушка, активация флюса):
• Температура: 150-180°C.
• Функция: удаление оставшихся летучих соединений паяльной пасты, активация флюса для очистки поверхностей перед пайкой, выравнивание температуры на компонентах с разной теплоемкостью.
• Проблемы: Длительная выдержка может окислить припой, а слишком короткая –недостаточно активировать флюс.
3. Оплавление (пиковая температура):
• Температура: 180-230 °C.
• Функция: Расплавление припоя и формирование надежных паяных соединений.
• Проблемы: Превышение температуры может повредить компоненты, а недостаточный нагрев приведет к «холодным пайкам» (межметаллическому слою недостаточной толщины).
4. Охлаждение:
• Температура: Постепенное снижение до 50-100 °C.
• Функция: Фиксация паяных соединений и предотвращение термических напряжений.
• Проблемы: Резкое охлаждение может вызвать микротрещины в пайке, долгое охлаждение приводит к росту межметаллического слоя и охрупчиванию паяного соединения.

Для плат и компонентов средней теплоемкости первый и второй этап термопрофиля нередко совмещают – график температуры на этих двух этапах представлен в виде наклонной линии. Там же, где требуется выравнивание температуры (например, на плате есть и чип-компоненты 0402, и массивные микросхемы BGA), термопрофиль подбирается таким образом, чтобы второй этап представлял собой горизонтальную линию.

Сколько зон может быть в печи оплавления?

Зоны в печи оплавления позволяют задать оптимальные параметры каждой стадии термопрофиля. Чем больше зон, тем более плавное изменение температуры можно получить. Количество температурных зон в печи оплавления зависит от:

• Сложности платы – количества компонентов, их термочувствительности.
• Типа припоя – легкоплавкий, тугоплавкий.
• Скорости конвейера.
• Требований к точности профиля.

На производствах обычно печи имеют от 4 до 12 зон, но встречаются и более сложные системы.

• 4–6 зон – подходят для простых плат с низкой плотностью компонентов.
• 7–9 зон – оптимально для большинства SMT-процессов.
• 10–12 зон и более – используются для сложных плат (BGA, QFN, термочувствительные компоненты).

Например, для 10-зонной печи оплавления рекомендуется выделять следующие зоны для разных стадий термопрофиля:

• Предварительный нагрев: зоны 1-3,
• Выдержка: зоны 4-7,
• Оплавление: зоны 8-9,
• Охлаждение: зона 10 (начало этапа) и отдельные зоны охлаждения печи для продолжения и завершения этапа.

Если печь имеет меньшее количество зон, они будут распределяться между этапами по-другому. Например, на 5-7 зонных печах нет возможности выделить отдельную зону нагрева для начала этапа охлаждения, поэтому в них платы охлаждаются либо под вентиляторами без нагрева, либо естественным способом после выхода из печи.

Как определить оптимальное количество зон в печи оплавления?

Выбор количества температурных зон – это баланс между технологическими требованиями, качеством пайки и экономической эффективностью. Чтобы определить оптимальное число зон, необходимо учитывать несколько ключевых факторов.

1. Анализ требований паяльной пасты

Каждый тип паяльной пасты имеет свой рекомендуемый температурный профиль, который указывается в технической документации. Например:

• SnPb (свинцовые припои) – требуют пиковой температуры 210–230°C.
• SAC305 (бессвинцовые) – 235–250°C, более крутой нагрев и точный контроль.
• Низкотемпературные (BiSn, In-based) – 170–200°C, чувствительны к перегреву.

2. Теплоемкость плат и компонентов

Разные платы и компоненты имеют разную термостойкость:

• Мелкие SMD-компоненты (резисторы, конденсаторы) и платы с 2-4 слоями – менее чувствительны, можно использовать меньше зон.
• Крупные BGA, QFN, CSP и платы с количеством проводящих слоев более 6  – требуют равномерного прогрева, иначе возможны холодные пайки или деформация.
• Термочувствительные элементы (разъемы, пластиковые корпуса, электролитические конденсаторы) – нужен плавный нагрев и точный контроль пиковой температуры.
• Наличие на одной стороне платы компонентов с большой разницей в теплоемкости требует выравнивания температур на них и, следовательно, большего количества зон.

3. Скорость конвейера и производительность

Чем быстрее движется конвейер, тем больше зон нужно для обеспечения правильного профиля:

• Низкая скорость (30–50 см/мин) – можно обойтись 4–6 зонами.
• Средняя (50–80 см/мин) – оптимально 7–9 зон.
• Высокая (80–120 см/мин и выше) – требуется 10–12 зон для сохранения точности нагрева.

4. Требования к гибкости процесса

Если в производстве используются разные типы плат (со свинцовыми/бессвинцовыми припоями, многослойные, гибкие), важно иметь возможность быстро перенастраивать профиль.

• Менее 6 зон – ограниченная гибкость, подходит только для однотипных плат.
• 7–9 зон – хороший баланс, позволяет адаптировать профиль.
• 10+ зон – максимальная гибкость, возможность работы с любыми типами сборок.

5. Экспериментальная проверка профиля

Даже при теоретически правильном расчете необходимо проводить практические тесты:

• Использование термопар – замер температуры в критических точках платы.
• Построение реального профиля – сравнение с рекомендациями производителя пасты.
• Анализ качества пайки – проверка на холодные пайки, перегрев, деформацию компонентов.

Итоговые рекомендации

Оптимальный выбор:

• Для простых плат – 4–6 зон.
• Для стандартного SMT-производства – 7–9 зон.
• Для сложных BGA-сборок и высокоскоростных линий – 10+ зон.

Чем точнее требуется контроль температуры, тем больше зон необходимо. В некоторых случаях лучше выбрать печь с запасом по зонам, чтобы обеспечить гибкость на будущее.

Заключение

Правильное распределение температурных зон в печи оплавления имеет критическое значение для итоговой надежности пайки. Оптимальное количество зон зависит от плотности компонентов и используемых материалов. Чем сложнее изделие и чем выше скорость производства, тем большее количество зон требуется для точного контроля температуры.