Taassulatusjootmine

Näide temperatuuritasemetest jootmisprotsessis

Taassulatusjootmine (ingl reflow soldering) on tööstuslik viis pindmonteeritavate komponentide jootmiseks plaadile. Komponendid asetatakse plaadile koos jootepastaga ning kontrollitud temperatuuril kuumutatakse tervet plaati ahjus, mille mõjul pastas olev jootetina üles sulab. Pärast mahajahtumist tina tahkub ning komponentide ja joodetavate pindade vahele tekivad tahked elektrilised ühendused. Kuumutamise protsessi võib läbi viia nii erilise ahju abil, kasutades infrapunakiirgust või jootes kõik komponendid eraldi kuuma õhku kasutades.

Sedalaadi jootmine on üks levinumaid meetodeid, millega pindjoodetavaid komponente plaadile paigutada. Samas saab seda kasutada ka läbiaugu-komponentide jootmisel pannes jootepastat aukudele ning asetades komponendi otsad neist läbi. Kuna lainejootmine on ainult läbiaugu-komponente sisaldavate trükkplaatide jootmisel odavam ja lihtsam, siis neil juhul enamasti taassulatusjootmist ei kasutata. Samas olukorras, kus trükkplaat sisaldab mõlemaid võib olla kasumlikum kasutada taassulatusjootmist, elimineerides sellega lainejootmine kogu protsessist ning vähendades tootmiskulusid.

Ettevalmistus

Taassulatusjootmisel kasutatakse jootepastat, mis koosneb väikestest jootetina kuulikestest ning eriotstarbelisest räbustist. Enne trükkplaadi kuumutamist tuleb sellele kanda jootepasta nendesse kohtadesse kuhu vaja ehk siis joodetavatele pindadele. Selleks kasutatakse šablooni, milles on augud täpselt õigetes kohtades, et jootepasta jõuaks sinna kuhu vaja.

Tööstuslik jootepasta

Pärast jootepasta pealekandmist viiakse trükkplaat edasi komponente paigaldava seadme juurde, mis asetab komponendid oma õigetele kohtadele. Jootepasta omab piisavalt suurt pindpinevust, et hoida komponente paigal.

Jootmise faasid

Kogu taasjootmise protsessi võib jagada neljaks eri faasiks, millel on oma soojenemiskiirus ning kuumustase. Igal faasil on oma eesmärk.

Eelsoojendus

Trükkplaadile kantud jootepasta

Eelsoojendus on taassulatusjootmise protsessi esimene järk, milles trükkplaati soojendatakse aeglaselt umbes temperatuurini 100–150 °C. Selle temperatuuri juures jootepasta veel ei sula, kuid kõik kogu plaat viiakse kõrgemale temperatuurile vältimaks soojusstressi, mis tuleneb komponentide liiga kiirest kuumutamisest. Lisaks aitab aeglane kuumutamine jootepasta pritsimist vältida.

Eelsoojenduse tuleb trükkplaati soojendada pidevalt lineaarselt kasvaval temperatuuril. Siinkohal on tähtis kiirus, millega plaati kuumutatakse mõõdetuna kraadi sekundi kohta (°C/s). Konkreetne kuumutamise kiirus sõltub paljudest teguritest nagu näiteks tootmisaeg, jootepasta lenduvus ja komponentide erisusest tulenevad nõuded. Kõige olulisem neist on tundlike komponentide jootmisvajadused. Mitmed neist võivad vale temperatuuritõusu juures mõraneda, seega ei tohi plaati kuumutada kiiremini kui nende komponentide nõuded lubavad. Kui tundlikke komponente ei kasutata, võib eelsoojenduse faasis viia kuumutamise kiiruse suuremaks, et lühendada tootmisprotsessis kuluvat aega. Seejärel minnakse üle eeljootmisfaasi.

Eeljootmine

Teises jootmisfaasis, eeljootmises hoitakse plaati konstantsel temperatuuril tavaliselt vahemikus 150–170 °C pikema aja jooksul (60–120 sekundit), mille eesmärgiks on ühtlustada kõigi komponentide temperatuur. Olenevalt komponendist võib see soojeneda kiiremini või aeglasemalt kui mõni teine ning see põhjustab ebaühtlast temperatuuri. Eriti muutub see oluliseks infrapunaahjude korral, mille eri komponendid neelavad või peegeldavad kiirgust erinevalt. Eeljootmisfaasis räbusti aktiveeritakse ning aurustuvad seal olevad lenduvad ühendid.

Standardsel pliivabal eeljootmisel, kus temperatuuri hoitakse 150 °C ning jootmisfaasis 245 °C juures, tekib 95 °C suurune tõus, mille jooksul võib jällegi esineda komponentide soojusmahtuvusest tulenevat ebaühtlast soojenemist trükkplaadil. Selle asemel, et hoida eeljootmisfaasis temperatuur konstantsena on mõnikord soovituslik seda vaikselt tõsta näiteks 150 °C juurest 180 °C-ni.

Jootmine

Jootmisfaasis tõstetakse trükkplaadi temperatuuri umbes 2 °C/s, kuni see ületab jootetina sulavuspunkti, tuntud ka kui TAL (ingl temperature above liquidus). Kõrgeim temperatuuripunkt peaks olema vähemalt 20–40 °C rohkem kui TAL, kuna sellisel juhul jootetina liitub vase või kullaga kaetud jootepindadega paremini. Selle limiidi määrab ära kõige temperatuuritundlikuma komponendi taluvus. Üldjuhul võetakse selleks maksimumiks 5 °C kõige õrnema komponendi taluvuspiirist vähem. Väga oluline on jälgida, et kogu protsessi jooksul seda limiiti ei ületataks.

Kõrgem temperatuur parandab jootetina märgavust, mis omakorda loob paremad ühendused pindade vahel. Eriti oluline on see pliivabade jootetinade puhul, mis on pliid sisaldavatest halvema märgavusega. Lisaks võib väga kõrge temperatuur (üle 260 °C) teha kahju pindmonteeritavate komponentide sisemisele mikroelektroonikale ning vastupidi: liiga madala temperatuuri juures ei pruugi jootetina korralikult sulada.

Vahemetalliline kiht (ingl intermetallic layer) tekib kahe erineva metalli vahele, kui üks lahustub osaliselt teise sisse. Antud juhul on hea ühenduse saamiseks oluline, et jootetina moodustaks vasest padjandiga vahemetallilise kihi. Seepärast kasutataksegi jootmisel tina (Sn), mis on suurepärane lahusti teistele metallidele. Kuigi vahemetalliline kiht tagab vajaliku hea elektrilise ühenduse, on see joote kõige hapram osa, mis võib kergesti mõraneda.

Jootmisfaasis on oluline jälgida aega, mille jooksul jootetina hoitakse sulanud olekus. Liiga väikese aja puhul ei jõua räbusti korralikult mõjuma hakata ning vastupidi: temperatuuri hoidmine kõrgel liiga kaua põhjustab räbusti ära auramist, "kuivatades" joodise ning tagajärjeks on halb ühendus pindade vahel. Vale temperatuuri ja aja suhe põhjustab räbusti kehva puhastusvõimet, millest tuleneb jootetina halb märgavus. Soovitatakse kasutada võimalikult lühikest jooteaega, kuid paljude jootepastade spetsifikatsioonid märgivad ära vähemalt 30 sekundilise sulamisaja.

Jahutamine

Viimane faas on jahutamine, mille juures plaadi temperatuuri jahutatakse tavaliselt kiirusega 4 °C/s. Vabas õhus jahutamine on üldjuhul piisav. Selle jooksul jooteühendused tahkuvad.

Jooteahjud

Infrapuna- ja konvektsioonahjud

Tööstuslikul jooteahjul on mitu erinevat tsooni, millest igaüht saab individuaalselt kontrollida. Üldjuhul on need jaotatud kuumutavateks ja jahutavateks tsoonideks. Trükkplaat liigub jootmisel läbi ahju konveierlindil ning sellega saavutatakse erinevate tasemetega kuumutamisprofiil.

Taassulatusjootmiseks kasutatav jooteahi

Soojusallikaks on tavaliselt keraamilised infrapunasoojendid, mis kannavad kuumust edasi kiirguse teel. Ahjusid, mis kasutavad veel ka ventilaatoreid puhumaks kuuma õhku trükkplaadile (tihti kasutuses koos infrapuna soojenditega), kutsutakse infrapuna konvektsioonahjudeks.

Osad ahjud on konstrueeritud jootmisprotsessi läbi viima hapnikuvabas keskkonnas. Kõige levinum gaas, mida sellistes ahjudes kasutatakse, on lämmastik (N₂). See vähendab oksüdeerimist joodise pinnal.

Aurufaasiahjud

Aurufaasiahjudes kasutatakse soojusenergiat, mis vabaneb mingi aine faasivahetusel trükkplaadile kondenseerudes. See vedelik valitakse vastavalt soovitud keemistemperatuurile, mis sobiks sulatatava jootetinaga.

Nende ahjude mõned eelised:

• suur energeetiline efektiivsus, mis tuleneb kõrgest aurufaasi soojusülekande koefitsiendist;
• jootmine on hapnikuvaba, pole vajadust erilise lisakeskkonna järele;
• trükkplaadi ülekuumenemine on välistatud, kuna temperatuur ei saa kunagi kasvada üle vastava aine keemispunkti.

Seda tuntakse ka kondensatsioonjootmisena.