Alles über den Reflow-Lötprozess bei der SMT-Bestückung
Das Löten ist eine Methode, die im Allgemeinen thermischer Natur ist (d.h. sie nutzt Wärme bei Temperaturen, die viel höher sind als die der Umgebung), mit der zwei oder mehr Komponenten mechanisch und im Falle von Bereichen, die mit Elektronik zu tun haben, auch elektrisch verbunden werden können. Dann muss dieses Schweißen eine Verbindung der elektrischen Leitung schaffen, die eine Verbindung der elektromechanischen Eigenschaften ist, die es ermöglicht, die Komponenten an einer Chassisstruktur oder einer Leiterplatte zu befestigen und gleichzeitig elektrisch mit den Anschlüssen dieser oder gegebenenfalls mit Pads in einer Reflow-Ofen die Verbindung sind in der Regel Klemmen oder Drähte und im Falle von Leiterplatten sind es Pads.
Es gibt zahlreiche Lötmethoden (Wellenlöten, Reflow-Löten, manuelles Löten und mehr)Einige werden im industriellen Bereich eingesetzt, andere im Amateur- und Hobbybereich und einige Techniken werden in beiden Bereichen verwendet. In diesem Artikel werden wir uns auf Reflow-LötenEine Art des Lötens, die vor allem im industriellen Bereich verwendet wird, obwohl es heutzutage einige kleine Reflow-Lötgeräte gibt, die von Amateuren gekauft und in der kleinen Werkstatt des Elektronikbastlers verwendet werden können.
Wie man Reflowlöten kann
Kommen wir zum Thema Reflow-Löten. Kurz gesagt besteht dieses Verfahren darin, eine Schicht Lotpaste auf die Pads der Leiterplatte aufzutragen und dann die SMD-Komponenten in der richtigen Position, wird die Leiterplatte in einen Ofen gebracht, der die gesamte Baugruppe erhitzt, damit das Lot schmelzen und dann erstarren kann und alle Komponenten elektrisch und mechanisch mit der Leiterplatte verbunden werden.
Schauen wir uns den Prozess nun genauer an, damit Sie verstehen, wie dieser Die Lötmethode funktioniert.
Unter SMT-BestückungDie Oberflächenmontage erfordert, dass die Leiterplatten Pads haben, auf die die elektronischen Komponenten gelötet werden. Diese Pads sind von der StopMask-Schicht unbedeckt, da auf diese Pads das Lot aufgetragen wird.
Die Lotpaste, die beim Reflow-Löten verwendet wird, besteht aus kleinen Kugeln aus Lötmetall (oder den dabei verwendeten Legierungen Silber, Zinn, Blei usw.) in Kombination mit Lösungsmittelpasten und Mitteln, die die Haftung der Komponenten unterstützen, wie z.B. Flussmittel, die die kleinen Lotkugeln in der Schwebe halten. Lötpaste kann eine zahnpastaähnliche Konsistenz haben und die charakteristische Farbe des in der Elektronik verwendeten Lots aufweisen.
Um diese Lotpaste auf diese Pads aufzutragen, wird ein Blatt verwendet, das als "Schablone" bekannt ist und als Vorlage für das Auftragen der Lotpaste dient. Diese Schablone besteht in der Regel aus einem dünnen Metallblatt mit Perforationen, die den Pads der Leiterplatte entsprechen. Dieses Perforationsmuster wird aus der StopMask-Ebene der Gerber-Dateien gewonnen, die während der PCB-Designphase erstellt werden.
Die Leiterplatte wird dann mit einer kleinen Menge Lötpaste auf jedem der Pads versehen, auf denen sich ein oberflächenmontiertes oder SMT-Bauteil befinden wird.
Im nächsten Schritt werden die elektronischen Bauteile auf der Leiterplatte an der exakt richtigen Stelle platziert, so dass jeder Anschluss eines jeden Bauteils mit dem entsprechenden Pad auf der Leiterplatte übereinstimmt. Diese Aufgabe übernimmt der Bestückungsautomat, eine automatisierte Maschine, die jedes Bauteil genau an der richtigen Stelle platziert.
Dieser Vorgang kann auch manuell durchgeführt werden, wenn das Projekt klein ist oder nur wenige SMT-Bauteile für die Oberflächenmontage hat. Mit einer Pinzette können Sie jedes Bauteil auf die entsprechenden Pads setzen, da die Lötpaste eine cremige Textur hat und die Bauteile aufgrund eines physikalischen Phänomens, das als Oberflächenspannung bekannt ist, leicht festhält.
Die Leiterplatte wird zu einem Reflow-Maschine wo der eigentliche Lötvorgang stattfindet.
Der Erhitzungsprozess in diesem Ofen ist in mehrere Stufen unterteilt. Die Art und Weise, wie die Hitze zugeführt wird, und die Kontrolle des Temperaturanstiegs über die Zeit ist ein entscheidender Faktor, damit die Komponenten richtig haften, die Lötung qualitativ hochwertig wird und die internen Schaltkreise des PCB-Komponenten.
Dieser Erhitzungsprozess erfordert eine strenge Kontrolle, damit die erforderlichen Temperaturen für das Lot erreicht werden können, um eine starke und konsistente Verbindung mit der Leiterplatte zu erzielen, aber dass diese Temperaturen auch keine gefährlichen Werte für das Halbleitermaterial der Komponenten erreichen, da sie diese beschädigen könnten.
Vier Prozesse des Reflow-Lötens
Rampe zum Einweichen
Die erste Phase der Erwärmung für das Reflow-Löten wird "Ramp to soak" genannt und besteht darin, die Temperatur der Leiterplatte allmählich zu erhöhen, so dass die Temperatur sicher ansteigt. So können alle Komponenten und die gesamte Baugruppe eine sichere, homogene und konstante Temperatur erreichen, außerdem werden in dieser Phase die flüchtigen Lösungsmittel der Lötpaste aufgelöst, um zu vermeiden, dass sich Reste darin befinden; Die Aufgabe dieser Flüssigkeiten, die das Lot suspendieren, d.h. es pastös machen, besteht darin, die Verbindung mit den Komponenten zu erleichtern. Wenn jedoch mit der Zeit Rückstände im Lot zurückbleiben, können diese die Qualität der elektronischen Haftung beeinträchtigen.
Thermische Einweichzone
Die nächste Phase wird als thermische Einweichzone bezeichnet und besteht darin, die Baugruppe einer konstanten Temperatur auszusetzen und für eine Dauer von 1 bis 2 Minuten die Verdampfung der flüchtigen Bestandteile aus der Lötpaste zu ermöglichen, um die Flussmittel zu aktivieren, wie z.B. PCB-FlussmittelDie Komponenten beginnen, an den Pads der Leiterplatte zu haften und ermöglichen eine oxidfreie Haftung, indem sie in eine Umgebung mit verdunsteten Flussmitteln eingebunden werden. Eine zu hohe Temperatur in diesem Prozess kann dazu führen, dass das Lot spritzt oder Klumpen bildet und die Lötpaste oxidiert, was die Verbindung und die Lötstellen beeinträchtigt. Bei einer zu niedrigen Temperatur werden die Flussmittel möglicherweise nicht vollständig aktiviert.
In der Soak-Zone wird ein thermisches Gleichgewicht in der gesamten Baugruppe angestrebt; die Löttemperatur muss homogen sein, bevor die Baugruppe in die nächste Reflow-Zone gebracht werden kann. Das Soak-Zone-Profil kann Temperaturunterschiede zwischen verschiedenen Komponenten oder zwischen verschiedenen Bereichen der Leiterplatte verringern, insbesondere wenn die Leiterplatte sehr groß ist. Außerdem wird das Soak-Profil empfohlen, um Lötprobleme bei Komponenten mit Anordnungen wie z.B. Komponenten mit BGA-Anschlüssen zu verringern.
Reflow-Zone
Die dritte Zone ist die Reflow-Zone, auch bekannt als "Zeit über Reflow" oder TAL-Temperatur über dem Flüssigkeitsspiegel. Bei dieser Temperatur wird die Höchsttemperatur erreicht. Es ist wichtig, dass die Höchsttemperatur unter Kontrolle gehalten wird, damit der Prozess erfolgreich verläuft. Sie liegt in der Regel zwischen 20 und 40 Grad über der Schmelztemperatur des Lots (das ist die Temperatur, bei der das Lot in seinen flüssigen Zustand übergeht).
Da Halbleiterkomponenten (Transistoren, integrierte Schaltkreise, Mosfets) und diskrete elektronische Komponenten (Widerstände, Kondensatoren, Spulen, Induktoren) unterschiedliche Löttoleranztemperaturen haben, muss die in der Reflow-Zone erreichte Höchsttemperatur unter der für thermische Schäden empfindlichsten Komponente liegen. Eine gute Faustregel ist, von der maximalen Temperatur, die das empfindlichste Bauteil verträgt, 5 Grad abzuziehen; oder auf die niedrigste Temperatur, die im Datenblatt als maximale Temperatur während des Reflow-Prozesses angegeben ist. Es ist wichtig, den gesamten Vorgang genau zu überwachen und diese Grenze niemals zu überschreiten. Hohe Temperaturen über 260℃ können die internen Elemente der oberflächenmontierten Komponenten beschädigen und das Wachstum von intermetallischen Oxiden verursachen, die die Leistung der Halbleiter beeinträchtigen. Andererseits kann eine zu niedrige Temperatur das reibungslose Schmelzen der Paste verhindern.
In dieser Zone liegt die Temperatur über dem Flüssigkeitspunkt, das Flussmittel reduziert die Oberflächenspannung und bewirkt, dass sich die Lötkomponenten trennen und sich die Metallpulverkugeln verbinden, wobei der Rest des Flussmittels vollständig verdampft.
Die Temperatur und die Zeit sollten auf keinen Fall die Angaben des Lötmittelherstellers überschreiten. Wenn die Temperatur zu hoch ist, kann das Flussmittel vorzeitig verbraucht werden und es entsteht ein trockenes Lot, das zu einer schlechten Formation führt, die sich durch gebrochene Lötstellen im Inneren der Lötstelle und durch das Austrocknen des Lots, Blasen im Inneren und Rost zeigt.
Das falsch berechnete Temperatur/Zeit-Verhältnis kann zu einer Verringerung der Effizienz des Flussmittels führen, dessen Aufgabe es ist, das Lot von Verunreinigungen zu befreien. Dies führt zu einer schlechten Benetzung, einer unzureichenden Entfernung des Lösungsmittels und des Flussmittels aus dem Lot und damit zu fehlerhaften Lötstellen.
Es wird empfohlen, die Reflow-Zone so kurz wie möglich zu halten. Die meisten Lötpasten geben jedoch an, dass diese Zeit mindestens 30 Sekunden betragen sollte, auch wenn es keinen Grund für diese spezielle Zeit zu geben scheint. Eine Möglichkeit ist, dass an einigen Stellen auf der Leiterplatte die Temperatur mit dem programmierten Profil nicht erreicht wird. Wenn Sie dann eine Zeit von 30 Sekunden festlegen, verringert sich die Wahrscheinlichkeit, dass es Bereiche gibt, die aufgrund von Temperaturmangel nicht schmelzen. Da es ziemlich schwierig ist, eine homogene Temperatur auf der Leiterplatte zu erreichen, wird eine minimale Reflow-Zeit die Temperaturschwankungen im Ofen reduzieren.
Die Reflow-Temperatur sollte nicht länger als 60 Sekunden aufrechterhalten werden, da diese Zeit für viele elektronische Komponenten zu lang ist.
Andererseits kann eine zu kurze Reflow-Zeit oder eine zu niedrige Temperatur Lösungsmittel und Flussmittel im Inneren einschließen und kalte oder unsaubere Verbindungen durch kleine Hohlräume (Blasen) im Lot verursachen. Jeder kleine Fehler, der im SMT-Reflow-Ofen passiert, kann dazu führen, dass PCB-Montage Fehler, die zu Häufige PCB-Probleme.
Kühlzone
Die Kühlzone ermöglicht es, die Temperatur der Platine während des Lötvorgangs allmählich abzusenken, damit sie sich richtig verfestigen können. Dadurch wird eine übermäßige intermetallische Bildung durch einen thermischen Schock der Komponenten, d.h. durch einen zu schnellen Temperaturwechsel, verhindert.
Die Temperaturen in der Kühlzone reichen von 30 bis 100 Grad. Die schnelle Abkühlungsrate erzeugt eine mechanisch solidere, feinkörnigere Struktur. Eine Beschleunigungsrate wird oft ignoriert oder nicht streng überwacht, so dass die Rampenrate vielleicht weniger kritisch ist. Die maximal zulässige Steigung für jede Komponente sollte angewendet werden, unabhängig davon, ob die Komponente erwärmt oder abgekühlt wird. Es wird eine Abkühlungsrate von 4℃ pro Sekunde vorgeschlagen. Dieser Parameter sollte berücksichtigt werden bei PCBA Montage, insbesondere bei kritischen Teilen für die Luft- und Raumfahrt und militärische Anwendungen.
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