Juotteen sulamispiste: seoksen lämpötilaopas

juotteen sulamispiste riippuu täysin sen seoksesta. Eutektinen tina-lyijyjuote (Sn63/Pb37) sulaa yhdellä terävällä iskulla 183 ° C (361 ° F), kun taas yleisin lyijytön seos, SAC305, sulaa noin 217–220 °C (423–428 °F)Koko juotosmetallien tuoteperheessä luvut vaihtelevat noin 138 °C:sta matalan lämpötilan tina-vismuttiseokselle aina 300 °C:seen ja sitä korkeampaan lyijypitoisten juotteiden lämpötilaan. Tämä opas antaa tarkat luvut kullekin seokselle, selittää sulamispisteen ja sulamisalueen välisen eron ja osoittaa, miksi juuri nämä muutamat asteet ratkaisevat, onko piirilevyliitos ehjä vai viallinen.

Mikä on juotteen sulamispiste?

Sulamispiste on lämpötila, jossa juotosseos muuttuu kiinteästä nesteeksi, jotta se voi kostuttaa metallipintoja ja muodostaa liitoksen. Ongelmana on, että vain eutektinen Seoksilla on todellakin yksi ainoa sulamispiste. Eutektinen seos – klassinen esimerkki on Sn63/Pb37 – sulaa ja jäätyy täsmälleen samassa lämpötilassa ilman minkäänlaista pehmenemistä. Juuri tämän jyrkän siirtymän vuoksi eutektinen juote tuottaa puhtaita liitoksia ja on helppo käsitellä.

Useimmat ei-eutektiset seokset sulavat sen sijaan a:n poikki alue kahden lämpötilan rajaamana:

• vinoviiva — lämpötila, jossa seos alkaa sulaa. Tämän alapuolella se on täysin kiinteä.
• likviduslämpötila — lämpötila, jossa seos on täysin nestettä. Tämän yläpuolella se virtaa vapaasti.

Soliduksen ja likviduksen välillä juote on osittain kiinteää ja osittain nestemäistä – löysää, "tahnamaista" tai "plastista" olomuotoa. Tällä alueella häiriintyneet liitokset ovat yleensä rakeisia ja heikkoja (klassinen syy häiriintyneeseen tai kylmään liitokseen), mikä on yksi syy siihen, miksi eutektisia seoksia, joilla ei ole plastista olomuotoa, suositaan käsinjuottamisessa.

Lyijypitoisen (tina-lyijy) juotteen sulamispiste

Tina-lyijy (SnPb) -juote hallitsi elektroniikkaa vuosikymmeniä, ja sitä käytetään edelleen ilmailu-, puolustus- ja lääketieteen aloilla, joissa sen luotettavuudella ja tinahiukkasten puuttumisella on merkitystä. Sen sulamiskäyttäytyminen riippuu tinan ja lyijyn suhteesta, ja kaikilla SnPb-seoksilla on sama 183 °C:n soliduslämpötila (eutektinen lämpötila):

Käytännön johtopäätös on, että Sn63/Pb37 on seos, joka kannattaa valita, kun haluat mahdollisimman puhtaat liitokset, koska se ohittaa tahmaisen alueen, jonka muut suhteet läpäisevät.

Lyijyttömän juotteen sulamispiste

RoHS-määräykset ja vastaavat määräykset pakottivat useimmat kaupalliset elektroniikkalaitteet lyijyttömään juotteeseen, joka on pääasiassa valmistettu tinasta, johon on lisätty hopeaa, kuparia ja joskus vismuttia tai nikkeliä. Lyijyttömät seokset sulavat 30–45 °C kuumemmiksi kuin tina-lyijy-seokset, mikä on siirtymisen suurin käytännön seuraus – se nostaa uudelleensulatuksen huippulämpötiloja ja lämpörasitusta piirilevyille ja komponenteille.

SAC305 on seos, jonka ympärille lyijyttömiä piirilevykokoonpanoja useimmiten rakennetaan. Kustannusten alentamiseksi tai iskunkesto- ja lämpösyklinkestävyyden parantamiseksi on olemassa vähemmän hopeaa sisältäviä ja seostettuja variantteja, mutta niiden sulamispisteet pysyvät lähellä 217 °C:n SAC-luokkaa.

Matalan ja korkean lämpötilan juotokset

Valtavirran seosten lisäksi lämpötila-asteikon ääripäissä on kaksi erikoisryhmää.

Matalan lämpötilan juotokset

Tina-vismutti (Sn42/Bi58) sulaa juuri ja juuri 138 ° C (281 ° F)ja indium-tina (In52/Sn48) noin 118 ° C (244 ° F)Näitä käytetään, kun komponentit tai alustat eivät kestä normaalia uudelleensulatuslämpöä – lämpöherkät LEDit, tietyt anturit, joustavat alustat ja porrasjuotos, jossa toinen liitos on tehtävä sulattamatta ensimmäistä uudelleen. Kompromissina on, että vismuttiseokset ovat yleensä hauraampia.

Korkean lämpötilan juotokset

Runsaslyijyiset seokset, kuten Sn10/Pb88/Ag2 (noin 268–290 °C) ja Sn5/Pb95 (noin 308–312 °C) pysyvät kiinteinä lämpötiloissa, jotka sulattaisivat tavallisen juotteen. Niitä käytetään tehopuolijohdepiirien kiinnitysosissa, öljy- ja kaasuteollisuuden elektroniikassa ja muissa kuumissa ympäristöissä. Vertailun vuoksi puhdas tina sulaa 232 °C:ssa ja puhdas lyijy 327 °C:ssa.

Juotteiden sulamispisteiden vertailutaulukko

Tämä yhdistetty kaavio asettaa yleisimmät seokset vierekkäin alimmasta sulamispisteestä korkeimpaan.

Sulamispiste vs. juotos- ja uudelleensulamislämpötila

Yleinen hämmennyksen aihe on pitää sulamispistettä silitysraudan tai uunin lämpötilana. Se ei ole. Sulamispiste kertoo, milloin juote muuttuu nestemäiseksi; jotta juotoslevyt todella kastuvat ja virtaavat kunnolla, sinun on työskenneltävä jollain tavalla. edellä likvidus.

• Juotosraudan kärjen lämpötila on asetettu selvästi sulamispisteen yläpuolelle, jotta lämpö pääsee nopeasti liitokseen ennen kärjen jäähtymistä. Tyypilliset asetukset ovat suunnilleen 315–370 °C (600–700 °F) lyijyjuotteille ja 350–400 °C (660–750 °F) lyijyttömälle, säädetty kärjen koon ja nivelmassan mukaan.
• Reflow-huippulämpötila asetetaan noin 20–40 °C seoksen likviduksen yläpuolelle. SAC305:lle (likvidus ~220 °C) tyypillinen piikki on 235-250 °C; lyijylliselle Sn63/Pb37:lle piikki on noin 210-225 °C on normaalia.

Sulamispisteen ja käyttölämpötilan välinen ero on tarkoituksellinen: liian pieni marginaali ja juote tuskin virtaa (kylmät liitokset, huono kostutus); liian suuri marginaali ja riskinä on, että liitäntälevyt irtoavat, lämpöherkät osat vaurioituvat tai levyn lasittumislämpötila ylittyy.

Miksi juotoksen sulamispiste on tärkeä piirilevykokoonpanossa

Tuotannossa sulamispiste on luku, jonka ympärille kaikki lämpökäsittelyt rakentuvat. Jos se tehdään väärin, saanto kärsii. Paikat, joissa sillä on eniten merkitystä:

• Uudelleenjuoksutusprofilointi. Neljän vyöhykkeen uudelleensulamisprofiili (esilämmitys, liotus, uudelleensulatus, jäähdytys) asetetaan pastaseoksen solidus- ja likvidus-aineista. Piikin on ylitettävä likvidus turvallisesti ilman osien kypsentämistä – minkä vuoksi SAC305:lle viritetty profiili eroaa lyijyprosessille viritetystä profiilista.
• Levyn materiaali (Tg). Lyijyttömän materiaalin korkeammat lämpötilat nostavat sen lähemmäksi laminaatin lasittumislämpötilaa, joten korkea Tg FR-4 on usein määritelty lyijyttömille rakenteille delaminaation ja vääntymisen välttämiseksi.
• Sekoitetut seokset. Lyijyllisten kuulien asettaminen lyijyttömän profiilin läpi (tai päinvastoin) luo epäluotettavia liitoksia. Seosten yhteensopivuutta on valvottava koko osaluettelon alueella, erityisesti ... BGA:t.
• Juotospasta ja sapluunat. Tahna sovitetaan seokseen ja oikea kerrostumismäärä valitaan laserleikattu sapluuna varmistaa, että liitoksessa on riittävästi metallia, kun juoksute on palanut pois.
• Matalan lämpötilan vaihtoehdot. Kun piirilevyssä on osia, jotka eivät kestä 245 °C:n huippulämpötilaa, valitaan sen sijaan matalan lämpötilan seos tai selektiivinen prosessi.

Highleap-elektroniikka, Kiinassa toimiva piirilevyjen ja piirilevyasetelmien valmistaja, käyttää sekä lyijyllisiä että lyijyttömiä prosesseja, joissa uudelleensulatusprofiilit on sovitettu pastaseokseen ja levyn lämpömassaan, mikä on varmistettu AOI:lla ja röntgenillä aluematriisiosista. Jos et ole varma, mikä seos tai viimeistely sopii suunnitteluusi, DFM-arvostelu kattaa juotosmetallin, pintakäsittelyn ja lämpöön liittyvät näkökohdat ennen piirilevyn rakentamista – osa standardia avaimet käteen -periaatteella toimiva piirilevykokoonpano ja SMT työtä.

Juotteen sulamispiste – usein kysytyt kysymykset

Mikä on juotteen sulamispiste Celsius- ja Fahrenheit-asteina?

Se riippuu seoksesta. Yleisin lyijyllinen juote, Sn63/Pb37, sulaa 183 °C:ssa. Yleisin lyijytön juote, SAC305, sulaa noin 217–220 °C:ssa.

Mikä on lyijyttömän juotteen sulamispiste?

Useimmat lyijyttömät elektroniikkajuotosaineet sulavat noin 217–227 °C:ssa. SAC305:n lämpötila on 217–220 °C, eutektisen tina-hopea-juotteen lämpötila on 221 °C ja tina-kupari-juotteen (Sn99.3/Cu0.7) lämpötila on 227 °C – noin 30–45 °C kuumempi kuin tina-lyijy-juote.

Miksi eutektisella juotteella on yksi sulamispiste?

Eutektinen seos, kuten Sn63/Pb37, on erityinen koostumus, joka sulaa ja jähmettyy tarkalleen samassa lämpötilassa ilman tahmaisia ​​​​alueita. Tämä terävä siirtymä antaa puhtaat liitokset ja tekee siitä sopivan käsin juottamiseen.

Mihin lämpötilaan minun pitäisi asettaa juotin?

Juotteen sulamispisteen yläpuolella, jotta lämpö siirtyy nopeasti: noin 315–370 °C (600–700 °F) lyijylliselle juotteelle ja 350–400 °C (660–750 °F) lyijyttömälle juotteelle, säädettynä kärjen koon ja liitoksen massan mukaan. Tarkka luku on käyttölämpötila, ei itse sulamispiste.

Onko juotoslämpötila sama kuin sulamispiste?

Ei. Sulamispiste on se, kun juote muuttuu nestemäiseksi; juotos- tai uudelleensulamislämpötila asetetaan sen yläpuolelle. Uudelleensulamishuiput ovat tyypillisesti 20–40 °C seoksen likviduksen yläpuolella, jotta juote kostuu kunnolla.

Voinko sekoittaa lyijyllistä ja lyijytöntä juotetta?

Sitä on parasta välttää. Seosten sekoittaminen – esimerkiksi lyijyttömien BGA-kuulien ajaminen lyijyprofiilin läpi – aiheuttaa metallien välisiä ja sulamispisteellisiä epäsuhtaumia, jotka johtavat epäluotettaviin liitoksiin. Tuotannossa seosten yhteensopivuutta valvotaan koko kokoonpanossa.

Mikä on alhaisimman sulamispisteen omaava juote?

Yleisistä seoksista indium-tina (In52/Sn48) sulaa noin 118 °C:ssa ja tina-vismutti (Sn42/Bi58) 138 °C:ssa. Näitä matalan lämpötilan juotoksia käytetään lämpöherkissä komponenteissa ja porrasjuottamisessa, vaikka vismuttiseokset ovat hauraampia.