Существенное противоречие при SMT-пайке толстых медных плат заключается в том, что теплоемкость медной подложки значительно выше, чем у обычных плат FR-4. Теплоемкость меди толщиной 2 унции (70 мкм) примерно в 1,9 раза больше, чем у меди толщиной 1 унция (35 мкм), что приводит к задержке реакции температуры поверхности платы от 8 до 12 секунд при той же мощности нагрева. Если применяется стандартный температурный профиль оплавления FR-4, весьма вероятно, что флюс паяльной пасты попадет в зону оплавления без достаточной активации, или чрезмерная локальная разница температур во время плавления припоя приведет к тому, что уровень пустот в паяном соединении превысит стандарт. Наши измерения на производственной линии силового модуля показали, что, когда фактическая температура контактной площадки толстой медной платы была на 14°C ниже, чем температура в полости печи, измеренная термопарой, доля площади пустот в нижних паяных соединениях устройств QFN достигала 32 %, что намного превышает верхний предел в 25 %, разрешенный IPC-A-610H класса 2.
IPC-J-STD-020D явно требует строгого контроля пиковой температуры для устройств класса MSL3 и выше, где верхний предел пиковой температуры для устройств MSL3 составляет 260°C, а продолжительность не должна превышать 30 секунд. Однако из-за большой инерции теплопоглощения толстых медных плат в традиционных печах оплавления часто возникает явление «перегрева на поверхности и недогрева нижнего слоя». Однажды мы использовали инфракрасный тепловизор для непрерывного мониторинга температурного градиента двухсторонней медной платы толщиной 2 мм и обнаружили, что в конце пиковой зоны температура площадки верхнего слоя достигла 263°C, в то время как соответствующая площадка нижнего слоя составляла всего 241°C. Эта разница температур напрямую приводит к плохому смачиванию нижних паяных соединений BGA, и это отклонение невозможно компенсировать регулировкой скорости печи. Его необходимо улучшить, увеличив время зоны выдержки и увеличив скорость предварительного нагрева для повышения термической однородности.
Выбор паяльной пасты должен учитывать характеристики теплового отклика толстых медных плат. Хотя не требующие очистки паяльные пасты, такие как серия NC-550, имеют мало остатков, их канифольная система имеет относительно высокую температуру активации (начальная точка активации около 150 ° C), что склонно к преждевременной карбонизации во время медленного процесса нагрева толстых медных плат и вместо этого препятствует растеканию припоя. Мы сравнили и протестировали изменения угла смачивания трех паяльных паст на медных платах OSP толщиной 2 унции и обнаружили, что Kester NXG-45 начал значительно уменьшать угол смачивания при 145°C, в то время как NC-550 не показал значительного уменьшения до 158°C. Поэтому для толстых медных плат более рекомендуется использовать паяльные пасты с низкой температурой активации, высоким содержанием металла (90,5%) и индексом тиксотропности >1,8. В то же время параметры печати необходимо регулировать синхронно: коэффициент площади отверстия трафарета должен быть не менее 0,66, а давление ракеля должно поддерживаться на уровне 4,2 кгс±0,3 кгс. В противном случае скорость переноса паяльной пасты снизится более чем на 12% из-за низкотемпературного адсорбционного эффекта медной платы.
Оптимизация температурного профиля оплавления не может осуществляться изолированно и должна оцениваться комплексно в сочетании с производительностью зоны печи и равномерностью циркуляции горячего воздуха. Хотя бытовая восьмизонная печь оплавления имеет номинальную точность регулирования температуры ±1°C, измеренные колебания температуры в зонах с 3 по 5 достигают ±3,7°C при полной загрузке толстыми медными платами, что приводит к фактическому отклонению времени зоны замачивания более чем на 23 секунды. В конце концов мы внедрили метод настройки сегментированного линейного изменения: установили для зон предварительного нагрева с 1 по 3 скорость 0,8°C/с и уменьшили скорость для зон с 4 по 5 до 0,4°C/с, чтобы предотвратить разбрызгивание паяльной пасты. В зоне 6 (зона замачивания) строго поддерживается температура 150°C±2°C в течение 95 секунд, чтобы обеспечить испарение растворителя. В секции оплавления применяется двухпиковая стратегия: первый пик поддерживается при температуре 217°C в течение 12 секунд для активации припоя, а второй пик воздействует на температуру 260°C от 238°C с временем жидкой фазы ≥4 секунд. Эта настройка увеличила выход толстой медной платы определенного автомобильного микроконтроллера с 89,7% до 99,2%, а уровень пустот в паяных соединениях при выборочном рентгеновском контроле стабильно контролировался на уровне ≤18,3%.
Для проверки на месте необходимо использовать настоящие термопары, установленные на печатной плате, и категорически запрещено полагаться на показания встроенных в духовку датчиков, поскольку последние отражают температуру воздуховода, а не температуру поверхности платы. Однажды мы обнаружили, что после замены одного и того же оборудования на медные платы разной толщины максимальное отклонение между температурой, отображаемой в духовке, и измеренной температурой контактной площадки достигало 22°C, причем направление отклонения было непредсказуемым. Рекомендуется расположить по четырем углам и в центре каждой партии досок первого изделия по 5 термопар типа К и зафиксировать их высокотемпературной лентой + термостойкой силиконовой смазкой. Частота дискретизации должна быть не менее 2 Гц. После импорта данных в программное обеспечение CurveTracer сосредоточьтесь на проверке того, находится ли время ликвидуса выше 183°C в диапазоне от 45 до 90 секунд. Менее 45 секунд склонны к холодной пайке, а более 90 секунд усугубляют риск миграции меди. Требование к этому диапазону обусловлено ограничением ускоренного старения на скорость роста интерметаллических соединений паяных соединений в JEDEC JESD22-A108F.
