Волновой vs рефлоу пайка: подробное сравнение для сборки печатных плат

Поскольку современная электроника идет к легкости, эффективности, высокой скорости, каждый звено производства следует этой философии, включая сборку печатных плат (PCB). Пайка играет ключевую роль в успехе электронных изделий, так как электрические соединения зависят от точной пайки. По сравнению с ручной пайкой, автоматическая широко выбрана за точность, скорость, спрос на крупные объемы и стоимостную эффективность. Как ведущие технологии пайки для сборки, волновая пайка и рефлоу-пайка наиболее широко применяются для качественной сборки; однако различия между ними продолжают сбивать с толку, и когда каждую применять — тоже неясно.

Рисунок 1. Различия между пайкой, сваркой и пайкой твердым припоем (бразеровкой).

Перед формальным сравнением волновой и рефлоу-пайки необходимо понять разницу между пайкой, сваркой и бразеровкой (Рис. 1). Кратко: сварка — плавление двух похожих металлов для соединения. Бразеровка — соединение двух металлов нагреванием и плавлением наплавки/сплава при высокой температуре. Пайка — фактически низкотемпературная бразеровка, наплавка называется припой.

В сборке PCB пайка применяется через паяльную пасту. Пайка с пастой, содержащей опасные вещества (свинец, ртуть и др.) — свинцовая пайка; без опасных веществ — безсвинцовая. Выбор по специфическим требованиям изделия.

Волновая пайка

По названию: объединяет PCB и детали через жидкую «волну», образуемую моторной агитацией. Жидкость — расплавленный оловянный сплав. Процесс в машине волновой пайки (Рис. 2).

Процесс из 4 шагов: флюсирование, преднагрев, волновая пайка, охлаждение.

1. Флюсирование. Чистота металлических поверхностей — база качества пайки, зависящая от функций флюса. Флюс критичен для гладкой пайки. Функции: удаление оксидов с поверхности плат и выводов компонентов; защита плат от вторичного окисления при термическом процессе; снижение поверхностного натяжения паяльной пасты; передача тепла.

2. Преднагрев. В паллете на цепи (как конвейер) платы проходят через тепловой туннель для преднагрева и активации флюса.

3. Волновая пайка. Постоянно растущая температура делает паяльную пасту жидкой с волной от краев плат, проходящих над волной. Компоненты надежно паяются на платы.

4. Охлаждение. Температурный профиль волновой пайки следует кривой. После пика в зоне пайки температура снижается — зона охлаждения. После остывания до комнатной температуры плата успешно собрана.

Рисунок 2. Пример машины волновой пайки.

Когда платы в паллете готовятся к волновой пайке, время и тесно связаны с качеством. Профессиональная машина волновой пайки необходима, экспертиза и опыт сборщика PCB не легко получить — зависят от актуальных технологий и бизнес-фокуса.

Если температура слишком низка — флюс не расплавится должным образом, снижая способность растворять оксиды и грязь на металле. Сплав не образуется флюсом и металлом при недостаточной температуре. Другие факторы: скорость конвейера, время контакта с волной — тоже учитывать.

Даже на одной машине разные сборщики дают разную эффективность из-за методов операций и глубины знаний об оборудовании.

Рефлоу-пайка

Рефлоу-пайка навсегда фиксирует компоненты, временно приклеенные к контактным площадкам на платах паяльной пастой, которая расплавляется горячим воздухом или иным термическим излучением. Реализуется в рефлоу-печи (Рис. 3). По определению, компоненты временно прикреплены к pads перед пайкой через паяльную пасту.

Процесс в основном из 2 шагов. Сначала паяльная паста точно наносится на каждый pad через шаблон паяльной пасты. Затем компоненты размещаются на pads пик-н-плейс машиной. Реальная рефлоу-пайка стартует после этих подготовок.

• Преднагрев. Две цели: 1) платы последовательно достигают требуемой температуры для полного соответствия термическому профилю; 2) удаление летучих растворителей из паяльной пасты. Иначе качество пайки компрометируется.

• Термозамачивание (Thermal Soak). Как и волновая пайка, рефлоу зависит от флюса в паяльной пасте. Температура должна достичь уровня активации флюса, иначе флюс не сыграет роль.

• Рефлоу-пайка. Фаза при пиковой температуре, позволяющей паяльной пасте расплавиться и рефлоуить. Контроль температуры критичен. Слишком низкая — паста не рефлоуит достаточно; слишком высокая — повреждение SMT-компонентов или плат. Пример: BGA-корпус с множеством припойных шаров, расплавляющихся при рефлоу. Если температура не оптимальна — шары расплавляются неравномерно, BGA-пайка страдает, нужен реворк.

• Охлаждение. Температура падает после пика. Охлаждение застывает паяльную пасту, навсегда фиксируя детали на контактных площадках.

Рисунок 3. Рефлоу-пайка выполняется в рефлоу-печи.

Рефлоу-пайка применима и к SMT, и к THT (through-hole), но преимущественно в SMT. При применении на THT обычно полагаются на pin-in-paste (PIP). Сначала паста заполняет отверстия в плате. Затем выводы компонентов вставляются в отверстия, часть пасты выходит с обратной стороны. Наконец, рефлоу-пайка завершает пайку.

Волновая пайка vs Рефлоу-пайка

Различие нельзя игнорировать — многие не знают, что выбрать при заказе услуг сборки PCB. Модификация пайки меняет весь производственный процесс: эффективность, стоимость, time-to-market, прибыль.

Рисунок 4 иллюстрирует разницу шагов процессов. Существенное отличие — флюсирование: волновая пайка содержит этот шаг, рефлоу — нет. Флюс удаляет диоксид и снижает поверхностное натяжение материала для пайки. Флюс работает только активированным, требующим строгого контроля температуры и времени. Поскольку флюс в паяльной пасте при рефлоу, его содержание должно быть надлежащим образом организовано и достигнуто.

Рисунок 4. Различия шагов процессов волновой и рефлоу-пайки.

Дефекты пайки, кажется, неизбежны. Невозможно определить, какая технология дает больше дефектов — процесс каждый раз разный. Несмотря на неизбежность, частоту можно снизить, если сборщики следуют профильным регламентам и полностью знают характеристики и производительность всего оборудования линии. Инженерный штат должен быть квалифицирован и регулярно обучаться для темпа современных технологий.

В общем: рефлоу-пайка лучше для SMT-сборки, волновая — для THT или DIP. Но плата почти никогда не содержит чистые SMD или только through-hole. При смешанной сборке SMT обычно сначала, потом THT/DIP, так как температура рефлоу значительно выше волновой. Если инвертировать последовательность, уже застывшая паста может расплавиться снова, хорошо пропаянные компоненты получат дефекты или отпадут.

Статью написала Dora Yang, Technical Engineer at PCBCart, Hangzhou, China. Для подробностей — Click Here.