Температурный профиль конвекционной пайки. Что это такое?

Все режимы давно известны из материалов, опубликованных в бытность реальной деятельности зеленоградского ЦБ ПИМС и питерского «Авангарда», (предельно допустимые параметры пайки), а относительно научно-обоснованной технологии пайки различных материалов или покрытий— из результатов фундаментальных исследований, например [2], которые легли в основу создания типовых технологических процессов, выпущенных тем же «Авангардом» и его львовским филиалом. Интерпретировать эти данные под современную элементную базу ПМИ и ЭРИ не составляет никакого труда.

Что же касается профиля конвекционной пайки, то тезис дальнейшего развития научного направления по обеспечению ее режимов, в целом, лишен всякого практического смысла. Так как химический состав используемых в основном зарубежных флюсов и паяльных паст, а также других сопутствующих технологических материалов в аспекте их комплексной совместимости неизвестен по причине их «ноу-хау», и развивать подобные направления сегодня методом «научного тыка», по меньшей мере, неприлично. Тогда какие могут быть вопросы с «формированием»? Выполняйте то, что написано изготовителем этих материалов, не забыв утвердить техпроцесс у руководителя предприятия и памятуя о том, что зарубежные стандарты не имеют прав гражданства в России.

А что же делать в случае обнаружения несоответствий? Это известно только руководителю предприятия, поскольку при выставлении любых рекламаций окажется, что любое отечественное производство, организованное собственными силами, не соответствует никаким международным стандартам, а его аттестация по единственному переведенному на русский и переутвержденному стандарту ГОСТ Р ИСО-9002— такая же «липа», только финансово-юридическая. Кому же тогда предъявлять претензии?

Тем не менее, нужно как-то работать, а для этого надо хотя бы правильно понимать, что же это за зверь такой—температурный профиль и о чем идет речь в литературе. Видимо, о чем-то другом? Читаем рекомендации «ОСТЕК», например, по применению водосмываемых паст: «… Если температура предварительного подогрева превышает 150 °C или время выдержки более единиц нс, то остатки флюса невозможно удалить без применения дополнительных детергентов». Каких, правда, неизвестно; однако при этом сама идея водосмываемости просто теряет практический смысл! Если, конечно, опустить проблемы экологии и пожароопасности, технология промывки с детергентами не увеличит серьезно трудоемкость и не изменит структуру технологического цикла. Но вот при использовании неудаляемых композиций — дело гораздо сложнее. Такие композиции помимо растворителя содержат тиксотропные добавки и стабилизаторы дисперсности, поддерживающие некое квазитекучее состояние пасты, необходимое для ее нанесения. В процессе нагрева необходимо не только испарить растворитель, но, возможно, и эти добавки, чтобы пошла реакция поликонденсации остатков (реже — радикальная полимеризация). В противном случае остатки останутся гидрофильными, не способными к сополимеризации с лаками, адгезивами и т. п., и их гидролиз во влажной атмосфере приведет к самым неожиданным последствиям в самом непредвиденном месте… (И все предприятия теперь усиленно моют платы с «неудаляемыми остатками».)

Так вот, термопрофиль — это далеко не только температурно-временной режим нагрева при пайке [3], но и режим химико-технологической обработки технологических материалов для придания им специфических свойств! Однако начнем с режимов нагрева и охлаждения. Существуют три разновидности нагрева при пайке: стационарный, квазистационарный и нестационарный. Первый — это помещение детали в предварительно разогретую камерную печь, температура нагрева которой находится в состоянии термического равновесия, а объем детали в 1000 раз меньше объема камеры печи. При этом выполняется известный эмпирический закон термообработки: деталь принимает температуру печи из расчета 2 мин на 1 мм толщины материала. Но с одной поправкой: например, температура жала паяльника, нагретого в режиме теплового баланса, скажем, до температуры З00 °С, после первой же пайки упадет примерно на 20 °С и до конца работы не вернется к исходной, поскольку по статистическим данным Л. Д. Ландау [4] время пребывания в состоянии равновесия значительно больше времени релаксации, и макроскопические величины с большой относительной точностью равны своим средним значениям. Подобные отклонения (флуктуации), соответствующие гауссовскому распределению, определяют опытным путем, как правило, для наиболее массивной «подсистемы» (ПМИ, ЭРИ) в «системе» (плата в сборе). И нет никакой необходимости [3] контролировать температуру в различных точках системы (платы), если известно тепловое поле, или нагрев производится в аэродинамической печи (с принудительной вентиляцией), в которой темп нагрева принимается 1,5 мин на 1 мм толщины материала.

Учитывая то, что пайка осуществляется по поверхности, можно пренебречь неким градиентом температуры по толщине: тогда суммарное время пайки по трем зонам печи, например, по нагреву ПМ-трансформатора при максимальном локальном теплосъеме его сердечника толщиной 5 мм, длительность нагрева в 10 мин можно уменьшить вдвое до 5 мин, что фактически соответствует рекомендованной в литературе длительности процесса оплавления.

Температура пайки определяется исходя из оптимальных условий формирования паяного соединения [5], при которых скорость вязкого течения припоя больше скорости поверхностной диффузии. Экспериментально установлено, что температура пайки для этого условия должна быть выше температуры плавления припоя на 50…100 °С. Отсюда ясно, что пайка бессвинцовыми припоями при температуре ниже 280 °С не гарантирует надлежащего качества, даже с так называемыми слабоактивированными флюсами (это, строго говоря, их расхожая и принципиально неверная формулировка). Приговор окончательный и обжалованию не подлежит! Причем не только с позиции формирования соединений, но и с позиции стойкости диэлектрика, адгезии солдермаски, снижения сопротивления изоляции по причине пиролиза канифоли или дигидроабиетиновой кислоты (это модификация канифоли), а также возможности непредсказуемых химических реакций композиции пасты, вероятность которых на каждые 10 °С возрастает в 100 раз (по Аррениусу).

Длительность нагрева в общем смысле определяется скоростью набора и снижения температуры с позиции минимального роста напряжений растяжения для разнородных материалов, поскольку стандартные ПМИ являются некими квазикомпозитными материалами. Экспериментально установленная для таких материалов оптимальная скорость набора температуры — не более 2 °С/с. Скорость охлаждения — не более 0,8–1,2 °С/с до 50 °С. Для оптимального профиля наклон его линий нагрева и охлаждения будет принципиально отличен от приведенного графика в [3]. При времени выдержки 30 с и температуре оплавления 230 °С (минимальная температура качественной пайки с неактивированными неудаляемыми флюсами) общее время экспозиции составит 4,5 мин. Отсюда выбирается скорость конвейера, количество и мощность вентиляторов охлаждения. Затем проводится точная «юстировка» режима по температуре и времени предварительного подогрева. Для этого надо знать температуру испарения/кипения растворителя (она обычно от 90 до 150 °С) и температуру активации возможных радикальных реакций исходя из химических формул компонентов органики: для того чтобы установить температуру подогрева ниже температуры активации на 30–50 °С. Время выдержки при температуре подогрева при известном типовом количестве связующего в максимальном локальном объеме пасты — не менее 15 с.

Квазистационарная разновидность нагрева реализуется при ограничении установленной температуры печи или ее зон регулирующими и регистрирующими приборами. Реальные отклонения (статистические флуктуации) температурного поля при этом в 2–3 раза выше, что требует специальной регулировки и контроля (разумеется, если известны параметры химических реакций, интервал активности флюса, порог пиролиза органики и т. д.)

Нестационарный нагрев реализуется при использовании концентрированных источников нагрева — светового, инфракрасного и лазерного. В этом случае основное значение имеет «время пребывания», поскольку температура тела во времени имеет тенденцию к неограниченному росту, и указанные в предыдущем абзаце параметры играют самую существенную роль. Естественно, при этом существенно усложняется и ограничивается возможность регулирования параметров процесса нагрева, а по существу требуются и специальные источники с определенной длиной волны из-за различия теплофизических свойств материалов и т. п. [6].

Строго говоря, указанные «юстировочные» параметры определяют методом статистической вероятности флуктуаций, а никак не методом планирования эксперимента. Используют формулу распределения Гаусса для одной критической или 2–3 согласующихся величин, учитывая только энтропийный фактор вероятности и принцип Ле-Шателье. В самом деле, любое внешнее воздействие на тело, выводящее его из равновесия, стимулирует в нем процессы, стремящиеся ослабить это воздействие. Например, испарение растворителя снижает температуру тела, поэтому график изменения температуры предварительного подогрева должен идти с небольшим подъемом в сторону увеличения температуры. Следует заметить, что фактический подъем температуры подогрева на многих опубликованных графиках получен «случайно», в типичном режиме квазистационарности и поэтому никак не объясняется. Точно так же в процессе охлаждения системы более теплоемкие подсистемы поддерживают температуру менее теплоемких, что дает возможность увеличить скорость охлаждения и т. п. Разумеется, повторяя сказанное, подобные юстировки только тогда дают максимальный технологический эффект, если известны вероятные химические реакции, интервалы активности, пороги пиролиза и некоторые другие физико-химические константы. В противном случае все манипуляции с печью конвекционной пайки — никакое не формирование профиля, а обычное выставление рекомендованных изготовителем параметров, которое не представляет особого труда!