Нагрев и охлаждение печатного узла при конвекционной пайке

В статье [3] предпринята попытка определить основные факторы, влияющие на скорость нагрева и охлаждения печатного узла при конвекционной пайке. Обратим внимание на некоторые особенности упомянутой публикации и решения поставленной проблемы:
– начальные и граничные условия поставленной задачи не сформулированы;
– решение в статье не рассмотрено;
– ссылки на первоисточники отсутствуют;
– размерности левой и правой части приведенного уравнения не совпадают;
– из формулы, в частности, следует, что при стремлении времени нагрева к бесконечности количество переданного тепла изделию также стремится к бесконечности;
– не понятно, для чего нужно рассчитывать количество переданного тепла изделию, если на деле необходимо обеспечение требуемого температурного режима для компонентов и паяных соединений, а не количества переданного тепла;
– последующие рассуждения и рекомендации, например: «…быстрое охлаждение требует более мощной конвекции…», не связаны с упомянутой формулой, а другие зависимости не приводятся;
– не совсем корректны упоминания о температуре воды в зоне охлаждения, после того как в формуле приводится разность температуры материала и источника нагрева (охлаждения).
Таким образом, нижеприведенная формула, а также перечисленные выводы из [3] не могут быть использованы специалистами в работе:

Q = h · A · t  · ∆T,                                     (1)

где Q — количества переданного тепла; h — теплоемкость материала (способность материала поглощать или отдавать тепло); A — площадь поверхности изделия; t — время; ∆T — разность температур материала и источника нагрева (вид формулы, обозначения и их определения взяты из [3]).
Для решения упомянутой задачи автором публикации использована тепловая модель из работы [4].
В предположении постоянства коэффициента теплообмена между поверхностью печатного узла и воздухом и однородности температурного поля в объеме печатного узла автор получил формулы, позволяющие достаточно корректно оценить среднюю температуру узла и, следовательно, обеспечить требуемый температурный профиль в зависимости от температуры теплоносителя (воздуха или азота), площади поверхности печатного узла, его теплоемкости и коэффициента теплообмена [5–7].
Условие теплового баланса может быть записано в следующем виде:

C_п · dt = a · t  · S_п · dτ,                            2)

где C_п — теплоемкость печатного узла, Дж · °С^–1; t — избыточная (превышающая температуру воздуха) температура печатного узла, °С; a — коэффициент теплообмена, Вт · °С^–1; S_п — площадь поверхности печатного узла, м²; τ — время, с.
Путем элементарных преобразований, учитывая, что при нагреве t_τ→∞ = t_T; t_τ→0 = 0, получим выражение для температуры печатного узла при конвекционном нагреве:

tн = tT · (1 – e–τ/τoн)                                 (3)

где t_T — температура теплоносителя, °С; τ_o^н — постоянная времени нагрева печатного узла:

                                   (4)

Решая аналогичную задачу для режима охлаждения, получим:

to = tT · e–τ/τoo ,                                        (5)

                                   (6)

где τ_o^o — постоянная времени охлаждения печатного узла, с.
Постоянные времени нагрева и охлаждения печатного узла могут отличаться за счет различной скорости движения и состава теплоносителя. Скорость нагрева печатного узла и охлаждения после пайки тем выше, чем больше скорость движения нагретого воздуха (азота), которая увеличивает коэффициент теплообмена [8].
Таким образом, постоянные времени нагрева и охлаждения печатного узла при конвекционной пайке пропорциональны коэффициенту теплообмена, площади его поверхности и обратно пропорциональны его теплоемкости.
Используя полученные зависимости, можно сделать заключение о том, что паяные соединения, находящиеся в различных условиях обдува теплоносителем, будут нагреваться с различной скоростью, что, в свою очередь, может привести к несоблюдению требуемого температурного режима пайки, а также к образованию дефекта «надгробного камня» [1, 2, 9].
Экспериментальные исследования показывают, что по этой причине нижняя поверхность компонентов BGA, где расположены шариковые выводы, нагревается медленнее, чем боковая поверхность компонентов и паяные соединения планарных выводов [1, 2].
Выдержка перед финишным нагревом печатного узла до температуры пайки дает возможность более равномерно прогреть электронные компоненты вне зависимости от условий обдува теплоносителем [7].

Опыт предприятия по отработке режимов конвекционной пайки печатных плат с компонентами с малым шагом выводов (fine-pitch) показал, что развитие научного направления по обеспечению требуемых параметров монтажа электронных приборов позволяет существенно повысить эффективность отработки соответствующих технологических процессов, уточнить рекомендации международных стандартов [5, 10].