На линии пайки волновой пайкой возникали внезапные перемычки припоя, образование шипов и потемневшие паяные соединения, а окалина накапливалась в ванне для снятия пленки всего за 2 часа. Эта проблема часто повторялась после перехода на новую партию стержней, в то время как та же машина стабильно работала более 300 часов со старыми стержнями. Первопричиной является не само оборудование для пайки волновой пайкой, а несоответствие химической активности окалины припоя и механизма динамического баланса ванны расплава. Мы не можем сосредоточиться только на корректировке частоты скимминга; мы должны учитывать пять переменных — состав припоя, тип флюса, температуру предварительного нагрева, высоту волны и чистоту азота — вместе, иначе каждая замена припоя будет подобна открытию глухого ящика.
Высокоактивные припои могут быстро активировать канифольную кислоту во флюсе в зоне предварительного нагрева 100 ℃, но реакция на границе фаз сплава Sn-Cu/Fe является интенсивной, что приводит к скорости эрозии меди, достигающей 0,8 г/час. Взвешенные частицы меди в ванне расплава соединяются с оксидом олова, образуя рыхлый пористый шлак. Данные измерений показывают, что этот тип стержня припоя производит 42 г окалины на литр расплавленного припоя в час без азотной защиты, что в 2,3 раза больше, чем у стержней с низким содержанием шлака. В сочетании с не требующим очистки флюсом на водной основе объем окалины возрастает до 65 г/ч, поскольку органические кислоты образуют комплекс с ионами олова, ускоряя цикл разрыва оксидной пленки и повторной полимеризации.
Припои с низким содержанием осадка пассивируют поверхность расплавленного припоя за счет добавления 0,015–0,022% германия, увеличивая плотность оксидной пленки на 40% и одновременно снижая предел растворимости Cu до 0,08% масс. Измеренные данные показывают, что скорость образования окалины составляет 18 г/ч в азотной среде с температурой 260 ℃, но компромиссом является увеличение времени распространения смачивания на 0,3 секунды, что повышает риск образования мостов для упаковок QFN с мелким шагом высокой плотности на 12%. Особенно, когда толщина медной площадки печатной платы превышает 35 мкм или пленка OSP состарилась, высоту волны необходимо уменьшить с 8 мм до 6,2 мм, чтобы избежать перетягивания припоя, что, в свою очередь, приводит к снижению скорости конвейера на 8% и косвенно увеличивает время такта на плату.
Фосфорсодержащие припои осаждают микрокристаллы соединения P-Sn в ванне расплава в виде зародышей окисления, заставляя шлак оседать на дне печи, а не всплывать вверх. Измеренные данные показывают, что объем поверхностного шлака составляет всего 9 г/ч, но осевший шлак имеет твердость HV320, что приводит к 70% сколам кромок обычных механических скребков после 3 смен. Требуются скребки с алмазным покрытием, которые стоят в 6,8 раз дороже, чем обычные скребки из нержавеющей стали, и требуют простоя каждые 48 часов для калибровки угла чистки; в противном случае осевшие скопления окалины засорят форсунки. Если на этом этапе по-прежнему будет использоваться традиционный центробежный сепаратор олово-шлака, эффективность разделения упадет с 91% до 53%, поскольку размер частиц осевшего шлака P-Sn концентрируется в диапазоне 12–28 мкм, что намного ниже проектного порога обычных сепараторов в 45 мкм.
Для мелкосерийных линий печатных плат с большим количеством смешанных плат, которые переключаются между более чем 3 типами плат в день и объемом производства менее 200 штук каждого типа, рекомендуются паяльные стержни с низким содержанием осадка в сочетании с импульсным впрыском азота (диапазон колебаний потока 15 ~ 25 л/мин). Это подавляет образование окалины без значительного увеличения потребления азота. Если насильно внедрить фосфорсодержащие припои, цикл накопления в них осевшего шлака будет сильно не соответствовать частоте смены линий, вместо этого частота еженедельной чистки печи увеличится с 1 до 4 раз. Для сценариев непрерывного производства печатных плат с высоким содержанием меди, таких как серверные материнские платы, необходимо выбирать фосфорсодержащие припои, при этом чистота азота увеличивается с 99,9% до 99,999%, а температура паяльной ванны снижается с 255 ℃ до 252 ℃. В противном случае микрокристаллы P-Sn повторно растворятся в расплавленном припое при высоких температурах и потеряют свою осаждающуюся функцию. Если на этом этапе продолжать припой высокоактивных стержней, толщина медной окалины на стенке печи превысит 0,5 мм в течение 3 дней, что приведет к непосредственному засорению отверстий термопар и нарушению контроля температуры.
Все поведение окалины припоя должно быть проверено в пределах определенных ограничений линии. Например, на одном заводе после перехода на малодроссовые припои снизилось количество окалины, но степень перемыкания припоем увеличилась на 3,7%. Позже выяснилось, что смена поставщика OSP привела к увеличению количества остатков углерода на поверхностях контактных площадок, а слабая активность припоев с низким содержанием осадка не могла эффективно удалить эти остатки. Проблема решилась только после перехода на высокоактивные припои и добавления станции плазменной очистки. Это показывает, что обслуживание пайки волновой пайкой никогда не является одноточечной оптимизацией, а представляет собой проблему системного проектирования, включающую взаимодействие паяльных стержней, флюса, состояния поверхности печатной платы и параметров оборудования. Любые рекомендации по выбору оборудования — это чисто кабинетная стратегия.
