Какова температура плавления паяльной пасты?
Температуру плавления паяльной пасты задаёт состав металлического наполнителя, и описывают её двумя точками: солидусом (полное затвердевание) и ликвидусом (полное расплавление). У эвтектических сплавов — Sn63Pb37, Sn42Bi58 — эти точки совпадают: сплав переходит из твёрдого состояния в жидкое разом, минуя пастообразную фазу.
При какой температуре плавится свинцовая паяльная паста Sn63Pb37?
Эвтектика Sn63Pb37 плавится при 183°C — без зоны пластичности, ровно в одной точке. Пиковая температура при оплавлении в конвейерной печи для этого сплава — 210–230°C, запас 27–47°C выше точки плавления нужен для полного расплавления частиц порошка, смачивания металлизации платы и выводов, а также дегазации флюса.
У сплава Sn60Pb40 диапазон солидус-ликвидус небольшой (183–190°C): в этом промежутке металл находится в пастообразном состоянии. Для конвейерной печи разница несущественна, а вот при ремонте ручным паяльником её стоит держать в голове.
При какой температуре плавится бессвинцовая паяльная паста SAC305?
У SAC305 (Sn96.5Ag3.0Cu0.5) ликвидус — 217–221°C. Для гарантированного расплавления всего металла пик в печи должен быть не ниже 240°C, а реально выставляют 245–260°C — с запасом на неравномерность нагрева платы, теплоотвод массивных компонентов и допуски самой печи.
Более высокая температура оплавления SAC305 предъявляет жёсткие требования к термостойкости компонентов и платы. Некоторые электролитические конденсаторы, разъёмы с низкотемпературными корпусами, кварцевые резонаторы в пластике — всё это способно деградировать при бессвинцовом профиле. Перед переходом на SAC305 номенклатуру компонентов стоит сверить по пиковой температуре с J-STD-020.
Какая паяльная паста уменьшает температуру плавления олова?
Снизить температуру плавления соединения позволяют низкотемпературные пасты на основе висмута (Bi) или индия (In). У чистого олова ликвидус — 232°C; добавление висмута резко тянет эту точку вниз, и у эвтектики Sn42Bi58 она составляет уже 138°C — почти на сто градусов ниже.
- Sn42Bi58 — эвтектика, 138°C, пик пайки 160–170°C. Термочувствительные компоненты, светодиоды на гибких подложках, монтаж на алюминиевые подложки.
- Sn57Bi43 — состав, близкий к эвтектике, тоже 138°C.
- SnBiAg (например, Sn57.6Bi42Ag0.4) — серебро улучшает механику соединения относительно бинарного SnBi, ликвидус растёт незначительно.
- In52Sn48 — эвтектика с индием, 118°C, дорогой сплав для специальных задач.
Висмут делает соединение более хрупким при циклическом термонагружении, и это стоит помнить при выборе. Температуру эксплуатации изделия держат не выше 100–110°C — ближе к точке плавления прочность соединения падает. А смешение свинцовых компонентов (покрытие SnPb) с висмутсодержащей пастой рискует дать тройную эвтектику Sn-Pb-Bi с точкой плавления всего 96°C — для готового изделия это прямой путь к отказу уже при умеренном нагреве в эксплуатации.
Температурный профиль паяльной пасты: зоны и параметры
Профиль оплавления — зависимость температуры над платой от времени в процессе прохождения через конвейерную печь. Четыре зоны: предварительный нагрев, активация, оплавление, охлаждение — и у каждой свой температурный коридор и своя ошибка, которую легко допустить.
| Зона | Диапазон / параметр | Риск при нарушении режима |
|---|---|---|
| Preheat (нагрев) | до 150°C для свинцовых паст, до 175°C для SAC; скорость ≤ 2–3°C/с | Быстрый нагрев — испарение растворителей с разбрызгиванием пасты, шарики припоя. Медленный — лишнее время в печи и расход энергии |
| Soak (активация) | 150–180°C, 60–120 с | Флюс не успевает удалить оксиды, температура между массивными и лёгкими компонентами не выравнивается |
| Reflow (оплавление) | пик 210–230°C (Sn63Pb37), 245–260°C (SAC305), 160–175°C (SnBi); TAL 30–90 с | TAL < 30 с — холодные соединения из-за неполного сплавления. TAL > 90 с — рост интерметаллидов, охрупчивание |
| Cooling (охлаждение) | 2–4°C/с | Медленное — крупнозернистая структура, ниже прочность. Слишком быстрое — коробление платы от неравномерного сжатия |
Паяльная паста температура пайки которой выше ликвидуса лишь на несколько градусов, не сплавится полностью за отведённое время — отсюда и нижняя граница TAL. Превышение верхней границы бьёт по другому параметру: растёт интерметаллидная прослойка, о которой ниже.
Температура и профиль для специфических применений
Пайка алюминиевых подложек (IMS)
Алюминиевые IMS-подложки (Insulated Metal Substrate) стоят в светодиодных модулях, силовой электронике и автомобильных блоках. Теплопроводность алюминия (1–3 Вт/м·К) против 0,25–0,3 у FR4 быстро уводит тепло из зоны пайки и создаёт неравномерный нагрев по толщине платы.
Отсюда три поправки к профилю: увеличенная зона preheat — до выравнивания температуры по всей плате; зона soak при 165–185°C вместо стандартных 150–175°C; отдельный контроль пиковой температуры на подложке и на поверхности компонента — разница между ними у алюминия способна превысить 15–20°C.
Для IMS-подложек с термочувствительными светодиодами часто берут низкотемпературные пасты SnBi — пик снижается до 160–175°C, и настройка профиля заметно упрощается.
Профиль для бессвинцовой пайки в азотной атмосфере
В азоте флюс работает мягче — окисление вокруг него слабее, и агрессивная активация уже не так нужна. Зону soak можно сократить до 60–90 с при 150–180°C вместо 90–120 с на воздухе, а пик снизить до 245–255°C вместо 250–260°C. Меньший пик замедляет рост интерметаллидной прослойки и снижает термический стресс для компонентов.
Профиль для низкотемпературных паст SnBi
Sn42Bi58 плавится при 138°C, и это позволяет держать заметно более мягкий режим: preheat 25→100°C со скоростью 1–2°C/с, soak 100–130°C за 60–90 с — этого достаточно для активации флюса без перегрева, reflow с пиком 160–170°C и TAL 30–60 с, охлаждение 2–3°C/с без ускорения — резкое охлаждение особенно вредит хрупким висмутсодержащим сплавам.
Влияние профиля на рост интерметаллидов
На границе припой–медь при оплавлении растёт интерметаллидная прослойка Cu₆Sn₅ и Cu₃Sn, и её толщину задают температура и время воздействия. Здоровый диапазон — 1–4 мкм: тоньше — соединение не сформировалось как следует, толще 6–8 мкм — граница становится хрупкой. TAL свыше 90 секунд и пик выше 260°C разгоняют рост прослойки и снижают усталостную прочность соединения — для корпусов BGA и QFN, которые в эксплуатации живут под постоянной термомеханической нагрузкой, это прямой путь к преждевременному отказу.
Контроль температурного профиля
Профиль снимает термопрофилировщик — устройство с термопарами, которое проходит через печь вместе с тестовой платой. Термопары крепят на поверхность крупного компонента, на площадку мелкого, на массивный медный полигон и на край платы. Разброс температур между этими точками в зоне оплавления держат в пределах 10–15°C — иначе часть соединений на плате оплавится нормально, а часть недогреется или перегреется.
Профиль снимают заново при смене типа платы, при переходе на пасту с другим сплавом и при плановой поверке оборудования — печь со временем дрейфует по показаниям зон, и полагаться на старую карту профиля рискованно.
