Σημείο τήξης συγκολλητικού: Οδηγός θερμοκρασίας κράματος

Το σημείο τήξης του συγκολλητικού υλικού εξαρτάται εξ ολοκλήρου από το κράμα του. Το ευτηκτικό συγκολλητικό υλικό κασσιτέρου-μολύβδου (Sn63/Pb37) τήκεται σε μία μόνο, απότομη θερμοκρασία 183 °C (361 °F) , ενώ το πιο συνηθισμένο κράμα χωρίς μόλυβδο, το SAC305, τήκεται σε ένα εύρος περίπου 217–220 °C (423–428 °F) . Σε όλη την οικογένεια κραμάτων συγκόλλησης, οι αριθμοί κυμαίνονται από περίπου 138 °C για κασσιτέρου-βισμούθιο χαμηλής θερμοκρασίας έως 300 °C και άνω για συγκολλητικά υλικά υψηλής περιεκτικότητας σε μόλυβδο. Αυτός ο οδηγός δίνει τα ακριβή στοιχεία για κάθε κράμα, εξηγεί τη διαφορά μεταξύ σημείου τήξης και εύρους τήξης και δείχνει γιατί αυτοί οι λίγοι βαθμοί καθορίζουν εάν μια σύνδεση PCB είναι σωστή ή ελαττωματική.

Ποιο είναι το σημείο τήξης του συγκολλητικού υλικού;

Το σημείο τήξης είναι η θερμοκρασία στην οποία ένα κράμα συγκόλλησης μετατρέπεται από στερεό σε υγρό, ώστε να μπορεί να βρέξει μεταλλικές επιφάνειες και να σχηματίσει μια σύνδεση. Η επιπλοκή είναι ότι μόνο τα ευτηκτικά κράματα έχουν ένα πραγματικό μοναδικό σημείο τήξης. Ένα ευτηκτικό μείγμα — το Sn63/Pb37 είναι το κλασικό παράδειγμα — λιώνει και παγώνει σε μία ακριβή θερμοκρασία χωρίς ενδιάμεση μαλακή κατάσταση. Αυτή η απότομη μετάβαση είναι ο λόγος για τον οποίο το ευτηκτικό συγκόλληση παράγει καθαρές συνδέσεις και είναι εύχρηστο.

Τα περισσότερα μη ευτηκτικά κράματα αντ' αυτού τήκονται σε ένα εύρος που οριοθετείται από δύο θερμοκρασίες:

• Σολίδους — η θερμοκρασία στην οποία το κράμα UNFOLD να λιώσει. Κάτω από αυτό είναι πλήρως στερεό.
• Υγρό — η θερμοκρασία στην οποία το κράμα πλήρως υγρό. Πάνω από αυτό ρέει ελεύθερα.

Μεταξύ στερεού και υγρού, το συγκολλητικό υλικό είναι εν μέρει στερεό και εν μέρει υγρό — μια μουλιασμένη «πολτώδης» ή «πλαστική» περιοχή. Οι αρθρώσεις που διαταράσσονται εντός αυτής της περιοχής τείνουν να βγαίνουν κοκκώδεις και αδύναμες (μια κλασική αιτία διαταραγμένης ή ψυχρής σύνδεσης), γεγονός που είναι ένας λόγος για τον οποίο τα ευτηκτικά κράματα χωρίς πλαστικό εύρος προτιμώνται για χειροκίνητη συγκόλληση.

Σημείο τήξης μολυβδούχου (κασσίτερου-μολύβδου) συγκολλητικού υλικού

Η συγκόλληση κασσιτέρου-μολύβδου (SnPb) κυριάρχησε στην ηλεκτρονική εδώ και δεκαετίες και εξακολουθεί να χρησιμοποιείται στην αεροδιαστημική, την άμυνα και την ιατρική εργασία, όπου η αξιοπιστία της και η απουσία τριχοειδών ινών κασσιτέρου έχουν σημασία. Η συμπεριφορά τήξης της εξαρτάται από την αναλογία κασσιτέρου προς μόλυβδο και όλα τα κράματα SnPb μοιράζονται την ίδια στερεά ουσία 183 °C (την ευτηκτική θερμοκρασία):

Το πρακτικό συμπέρασμα είναι ότι το Sn63/Pb37 είναι το κράμα που πρέπει να επιλέξετε όταν θέλετε τις καθαρότερες δυνατές αρθρώσεις, επειδή παραλείπει το εύρος πάστας από το οποίο περνούν οι άλλες αναλογίες.

Σημείο τήξης συγκολλητικού υλικού χωρίς μόλυβδο

Η οδηγία RoHS και παρόμοιοι κανονισμοί ώθησαν τα περισσότερα εμπορικά ηλεκτρονικά είδη σε συγκόλληση χωρίς μόλυβδο, η οποία κατασκευάζεται κυρίως σε κασσίτερο με προσθήκες αργύρου, χαλκού και μερικές φορές βισμούθιου ή νικελίου. Τα κράματα χωρίς μόλυβδο λιώνουν 30-45 °C θερμότερα από τον κασσίτερο-μόλυβδο, η οποία είναι η μεγαλύτερη πρακτική συνέπεια της αλλαγής - αυξάνει τις μέγιστες θερμοκρασίες επανακυκλοφορίας και τη θερμική καταπόνηση στις πλακέτες και τα εξαρτήματα.

Το SAC305 είναι το κράμα γύρω από το οποίο κατασκευάζονται οι περισσότερες συναρμολογήσεις PCB χωρίς μόλυβδο. Υπάρχουν παραλλαγές με χαμηλότερη περιεκτικότητα σε άργυρο και προσμείξεις για τη μείωση του κόστους ή τη βελτίωση της απόδοσης σε πτώσεις και θερμικό κύκλο, αλλά τα σημεία τήξης τους παραμένουν κοντά στην περιοχή SAC των 217 °C.

Κολλήσεις χαμηλής και υψηλής θερμοκρασίας

Πέρα από τα κύρια κράματα, δύο εξειδικευμένες ομάδες βρίσκονται στα άκρα της κλίμακας θερμοκρασίας.

Κολλήσεις χαμηλής θερμοκρασίας

Το κασσίτερο-βισμούθιο (Sn42/Bi58) τήκεται στους μόλις 138 °C (281 °F) και το ίνδιο-κασσίτερος (In52/Sn48) στους περίπου 118 °C (244 °F) . Αυτά χρησιμοποιούνται όταν τα εξαρτήματα ή τα υποστρώματα δεν μπορούν να ανεχθούν την κανονική θερμότητα επανακυκλοφορίας — ευαίσθητα στη θερμότητα LED, ορισμένοι αισθητήρες, εύκαμπτα υποστρώματα και σταδιακή συγκόλληση όπου πρέπει να γίνει μια δεύτερη σύνδεση χωρίς να ξανατήκεται η πρώτη. Το συμβιβασμό είναι ότι τα κράματα βισμούθιου τείνουν να είναι πιο εύθραυστα.

Συγκολλήσεις υψηλής θερμοκρασίας

Τα κράματα υψηλής περιεκτικότητας σε μόλυβδο, όπως τα Sn10/Pb88/Ag2 (περίπου 268–290 °C) και Sn5/Pb95 (περίπου 308–312 °C), παραμένουν στερεά σε θερμοκρασίες που θα έλιωναν το συνηθισμένο συγκολλητικό υλικό. Χρησιμοποιούνται μέσα σε εξαρτήματα μήτρας ημιαγωγών ισχύος, σε ηλεκτρονικά συστήματα πετρελαίου και φυσικού αερίου σε οπές και σε άλλα θερμά περιβάλλοντα. Για αναφορά, ο καθαρός κασσίτερος τήκεται στους 232 °C και ο καθαρός μόλυβδος στους 327 °C.

Διάγραμμα σύγκρισης σημείου τήξης συγκολλητικού υλικού

Αυτό το συγκεντρωτικό διάγραμμα τοποθετεί τα κοινά κράματα δίπλα-δίπλα, από το χαμηλότερο σημείο τήξης έως το υψηλότερο.

Σημείο τήξης έναντι θερμοκρασίας συγκόλλησης και επανακυκλοφορίας

Μια συνηθισμένη πηγή σύγχυσης είναι η αντιμετώπιση του σημείου τήξης ως τη θερμοκρασία που ρυθμίζετε στο σίδερο ή τον φούρνο σας. Δεν ισχύει κάτι τέτοιο. Το σημείο τήξης σας λέει πότε η κόλλα γίνεται υγρή. Για να βρέξετε τα τακάκια και να ρέει σωστά, πρέπει να εργαστείτε αρκετά πάνω από το σημείο liquidus.

• Θερμοκρασία άκρης κολλητηριού έχει ρυθμιστεί αρκετά πάνω από το σημείο τήξης για να ωθήσει γρήγορα τη θερμότητα στην άρθρωση πριν κρυώσει η άκρη. Οι τυπικές ρυθμίσεις είναι περίπου 315–370 °C (600–700 °F) για κολλήσεις με μόλυβδο και 350–400 °C (660–750 °F) για χωρίς μόλυβδο, προσαρμοσμένο για το μέγεθος της άκρης και τη μάζα της άρθρωσης.
• Μέγιστη θερμοκρασία ανακύκλωσης έχει οριστεί περίπου 20–40 °C πάνω από την θερμοκρασία liquidus του κράματος. Για το SAC305 (liquidus ~220 °C) μια τυπική κορυφή είναι 235–250 °Cγια μολυβδούχο Sn63/Pb37 μια κορυφή γύρω στο 210–225 °C ειναι ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΚΟ.

Το χάσμα μεταξύ του σημείου τήξης και της θερμοκρασίας λειτουργίας είναι σκόπιμο: πολύ μικρό περιθώριο και η συγκόλληση ρέει ελάχιστα (κρύες ενώσεις, κακή διαβροχή). πολύ μεγάλο περιθώριο και υπάρχει κίνδυνος να σηκώσετε τα τακάκια, να καταστρέψετε τα ευαίσθητα στη θερμότητα μέρη ή να υπερβείτε τη θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης μιας πλακέτας.

Γιατί το σημείο τήξης συγκόλλησης έχει σημασία στη συναρμολόγηση PCB

Στην παραγωγή, το σημείο τήξης είναι ο αριθμός γύρω από τον οποίο βασίζεται κάθε θερμική διεργασία. Αν το κάνετε λάθος, η απόδοση θα υποφέρει. Τα σημεία που έχει μεγαλύτερη σημασία:

• Αναδιαμόρφωση προφίλ. Το προφίλ επανακυκλοφορίας τεσσάρων ζωνών (προθέρμανση, εμβάπτιση, επανακυκλοφορία, ψύξη) καθορίζεται από το στερεό και το υγρό του κράματος πάστας. Η κορυφή πρέπει να καθαρίζει το υγρό κατά ένα ασφαλές περιθώριο χωρίς να μαγειρεύει τα εξαρτήματα — γι' αυτό και ένα προφίλ που έχει ρυθμιστεί για SAC305 διαφέρει από ένα για μια διεργασία με μόλυβδο.
• Υλικό χαρτονιού (Tg). Οι υψηλότερες θερμοκρασίες του αμόλυβδου ωθούν πιο κοντά στη θερμοκρασία υαλώδους μετάπτωσης ενός laminate, επομένως η υψηλή Tg FR-4 συχνά προδιαγράφεται για κατασκευές χωρίς μόλυβδο για την αποφυγή αποκόλλησης και στρέβλωσης.
• Μικτά κράματα. Η τοποθέτηση μολυβδούχων σφαιρών μέσα από ένα προφίλ χωρίς μόλυβδο (ή αντίστροφα) δημιουργεί αναξιόπιστες αρθρώσεις. Η συμβατότητα των κραμάτων πρέπει να ελέγχεται σε όλο το BOM, ειδικά με BGAs.
• Κόλλα συγκόλλησης και στένσιλ. Η πάστα ταιριάζει με το κράμα και ο σωστός όγκος εναπόθεσης από ένα στένσιλ κομμένο με λέιζερ διασφαλίζει ότι η ένωση έχει αρκετό μέταλλο μόλις καεί η ροή.
• Επιλογές χαμηλής θερμοκρασίας. Όταν μια πλακέτα φέρει εξαρτήματα που δεν μπορούν να επιβιώσουν σε θερμοκρασία 245 °C, επιλέγεται αντ' αυτού ένα κράμα χαμηλής θερμοκρασίας ή μια επιλεκτική διαδικασία.

Η Highleap Electronics , ένας κατασκευαστής PCB και PCBA με έδρα την Κίνα, εφαρμόζει διαδικασίες τόσο με όσο και χωρίς μόλυβδο με προφίλ αναδιαμόρφωσης που ταιριάζουν με το κράμα πάστας και τη θερμική μάζα της πλακέτας, επαληθευμένα με AOI και ακτίνες Χ σε εξαρτήματα περιοχής-συστοιχίας. Εάν δεν είστε σίγουροι ποιο κράμα ή φινίρισμα ταιριάζει στο σχέδιό σας, μια ανασκόπηση DFM καλύπτει τις παραμέτρους του κράματος συγκόλλησης, του φινιρίσματος επιφάνειας και των θερμικών παραμέτρων πριν από την κατασκευή της πλακέτας — μέρος της τυπικής συναρμολόγησης PCB με το κλειδί στο χέρι και των εργασιών SMT.

Σημείο τήξης της συγκόλλησης Συχνές ερωτήσεις

Ποιο είναι το σημείο τήξης του συγκολλητικού υλικού σε βαθμούς Κελσίου και Φαρενάιτ;

Εξαρτάται από το κράμα. Το πιο συνηθισμένο κολλητικό με μόλυβδο, το Sn63/Pb37, τήκεται στους 183 °C (361 °F). Το πιο συνηθισμένο κολλητικό χωρίς μόλυβδο, το SAC305, τήκεται στους 217–220 °C (423–428 °F) περίπου.

Ποιο είναι το σημείο τήξης του συγκολλητικού υλικού χωρίς μόλυβδο;

Τα περισσότερα συγκολλητικά υλικά χωρίς μόλυβδο για ηλεκτρονικά κυκλώματα λιώνουν μεταξύ περίπου 217 °C και 227 °C. Το SAC305 έχει θερμοκρασία 217–220 °C, ο ευτηκτικός κασσίτερος-άργυρος έχει θερμοκρασία 221 °C και ο κασσίτερος-χαλκός (Sn99.3/Cu0.7) έχει θερμοκρασία 227 °C — περίπου 30–45 °C θερμότερος από το συγκολλητικό υλικό κασσίτερου-μολύβδου.

Γιατί το ευτηκτικό συγκολλητικό έχει ένα μόνο σημείο τήξης;

Ένα ευτηκτικό κράμα όπως το Sn63/Pb37 έχει την ειδική σύνθεση που λιώνει και στερεοποιείται σε μία ακριβή θερμοκρασία χωρίς ενδιάμεσο εύρος πάστας. Αυτή η απότομη μετάβαση προσφέρει καθαρές αρθρώσεις και το καθιστά εύκολο στη χειροκίνητη συγκόλληση.

Σε ποια θερμοκρασία πρέπει να ρυθμίσω το κολλητήρι μου;

Πάνω από το σημείο τήξης του συγκολλητικού υλικού, επομένως η θερμότητα μεταφέρεται γρήγορα: περίπου 315–370 °C (600–700 °F) για συγκολλητικό υλικό με μόλυβδο και 350–400 °C (660–750 °F) για συγκολλητικό υλικό χωρίς μόλυβδο, προσαρμοσμένο για το μέγεθος της άκρης και τη μάζα της ένωσης. Η ακριβής τιμή είναι η θερμοκρασία λειτουργίας, όχι το ίδιο το σημείο τήξης.

Είναι η θερμοκρασία συγκόλλησης η ίδια με το σημείο τήξης;

Όχι. Το σημείο τήξης είναι όταν το συγκολλητικό υλικό γίνεται υγρό. Η θερμοκρασία συγκόλλησης ή επανακυκλοφορίας ορίζεται πάνω από αυτό. Οι κορυφές επανακυκλοφορίας είναι συνήθως 20–40 °C πάνω από τη ρευστότητα του κράματος, έτσι ώστε το συγκολλητικό υλικό να διαβρέχεται σωστά.

Μπορώ να αναμίξω μολυβδούχο και άμολυβδο συγκολλητικό υλικό;

Είναι καλύτερο να αποφεύγεται. Η ανάμειξη κραμάτων — για παράδειγμα, η διέλευση σφαιρών BGA χωρίς μόλυβδο μέσω ενός μολυβδούχου προφίλ — δημιουργεί διαμεταλλικές αναντιστοιχίες και αναντιστοιχίες σημείου τήξης που προκαλούν αναξιόπιστες συνδέσεις. Στην παραγωγή, η συμβατότητα των κραμάτων ελέγχεται σε ολόκληρο το συγκρότημα.

Ποιο είναι το συγκολλητικό υλικό με το χαμηλότερο σημείο τήξης;

Μεταξύ των κοινών κραμάτων, το ίνδιο-κασσίτερος (In52/Sn48) τήκεται στους 118 °C περίπου και το κασσίτερο-βισμούθιο (Sn42/Bi58) στους 138 °C. Αυτά τα συγκολλητικά υλικά χαμηλής θερμοκρασίας χρησιμοποιούνται για εξαρτήματα ευαίσθητα στη θερμότητα και για σταδιακή συγκόλληση, αν και τα κράματα βισμούθιου είναι πιο εύθραυστα.