Лабораторная работа № 6 технологии поверхностного монтажа печатных плат

Цель работы: Изучить специфику компонентов поверхностного монтажа печатных плат. Изучить различные технологические операции поверхностного монтажа.

Оборудование и материалы: индукционная паяльная станция OKI (паяльник, термофен, термопинцет), монтажно-ремонтный центр PRC-2000, монтажный пинцет, флюс гель RMA, паяльная паста INDIUM, электронные компоненты, печатная плата.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Технология поверхностного монтажа (ТПМ) появилась, как альтернатива монтажу корпусов DIP (dual-in-line), при которой выводы микросхем и других компонентов монтируются в сквозные металлизированные отверстия печатных плат (ПП). ТПМ объединила в себе преимущества, как технологии монтажа в отверстия гибридных схем (ГС), а точнее перенесла конструктивно-технологические принципы монтажа ГС на технику изготовления узлов на ПП, используя большой размер стеклополимерных и других ПП, корпусированные и предварительно аттестованные компоненты, двусторонний монтаж и присоединение к контактным площадкам (КП) на поверхности платы.

Компоненты поверхностного монтажа.

Компонентами ПМ являются миниатюрные радиоэлементы и микросхемы, конструктивно выполненные в безвыводном исполнении, либо имеющие короткие выводы и упакованные в носители, позволяющие использовать их в высокопроизводительном оборудовании. Типы компонентов представлены на рисунке 6.1. Компоненты присоединяются к КП на поверхности ПП и могут быть разделены на 3 большие группы: пассивные, активные, нестандартные.

Р исунок 6.1 - Компоненты поверхностного монтажа.

Классификация способов нагрева

Монтажная (электромонтажная) пайка представляет собой процесс механического и электрического соединения металлических деталей с нагревом ниже температуры их расплавления путем смачивания и заполнения зазора между ними расплавленным припоем и сцепления за счет отверждения паяного шва.

Технологические процессы образования межсоединений так или иначе стимулируются нагревом (примерно выше 100 °С). Они протекают при плавлении или диффузии в твердой фазе и могут сопровождаться химическими реакциями. Монтажные соединения образуются в процессах пайки и сварки.

По способу воздействия на объект производства технологические процессы образования монтажных соединений разделяют на изотропные и локальные.

Изотропные – процессы с температурным воздействием на все изделие или поверхность. Локальные – процессы с избирательным воздействием на ограниченной площади (в «точке»).

К изотропным относят процессы, выполняемые в однородной среде, например, в печах с заданной газовой средой, в ваннах для пайки.

К локальным — точечную сварку и пайку, лазерную обработку. В процессе пайки развиваются реакции на границах жидкого, а потом и затвердевшего, припоя и поверхностей спаиваемых деталей. Течение твердофазных реакций определяется двумя механизмами: диффузией и процессами на границе фаз: жидкой (расплавленный припой) и твердой (соединяемые детали).

Процессы на границе раздела

Развитие процессов на границе раздела: припой – спаиваемые поверхности – проходит несколько стадий: адсорбция – адгезия – смачивание – физическое растворение или поверхностные химические реакции – сцепление.

Смачивание соединяемых поверхностей жидким припоем или расплавом при микросварке проявляется как растекание капель жидкости на твердом теле или как оттекание, когда слой жидкости собирается в капли. Поверхностный слой любого тела обладает избытком энергии (поверхностная энергия). Для атомов, молекул и ионов, находящихся на поверхности раздела фаз, характерно наличие нескомпенсированных сил, т. е. они являются источниками силового поля. Это силовое поле вызывает сжатие поверхностного слоя, возникают силы упругости.

Рисунок 6.2 - Форма капли жидкости на твердой поверхности

В результате смачивания создаются условия для развития вторичных процессов физического растворения и поверхностных химических реакций, при протекании которых происходит взаимодействие, ведущее к образованию переходной зоны на границе раздела фаз.

При физическом растворении взаимодействуют вещества одинаковой природы, смешение происходит только за счет кинетической энергии атомов, ионов, молекул, не претерпевающих изменений.

Поверхностные химические реакции возможны в том случае, когда химическая природа соприкасающихся фаз различна. Поверхностные химические соединения, образуемые в результате этих реакций, не представляют отдельной самостоятельной фазы. Продукты поверхностных реакций можно рассматривать как химические соединения переменного состава. Вступившие в поверхностную реакцию атомы и ионы твердого тела не порывают связей с атомами и ионами собственной кристаллической решетки.

Характерным признаком полного сцепления служит образование промежуточного слоя химического или физического происхождения. Образование промежуточного слоя между покрытием и подложкой – характерный признак сцепления. При этом могут возникать две межфазовые границы раздела: покрытие – промежуточный слой и промежуточный слой – подложка. Они бывают размытыми или четко выраженными. Процесс сцепления всегда требует некоторого времени, потому что связан с протеканием поверхностных реакций, растворения и диффузии.

Стадии образования соединения: активация металлических поверхностей флюсом, нагрев поверхностей выше точки плавления припоя, вытеснение флюса припоем, растекание жидкого припоя – процесс смачивания, взаимная диффузия припоя и соединяемых поверхностей – образование сплавной зоны, химическое взаимодействие припоя и соединяемых поверхностей (рисунок 6.3).

Рисунок 6.3 - Стадии образования паяного соединения

Наличие зон сплавления (диффузионных зон) является признаком образования металлической связи с полными свойствами электрической проводимости по металлу. Отсутствие диффузионной зоны указывает на недостаточную связь, т. е. на наличие «холодной» пайки: электрическое соединение неустойчиво.

Сравните O-характеристики (интенсивность отказов):

«Холодные» пайки ................................................ 10^-2 ч ^-1

Обычное паяное соединение ................................ 10^-10 ч ^-1

Соединение с зоной сплавления .......................... 10^-13 ч ^-1

При правильном выполнении пайки прочность паяного шва всегда больше прочности припоя. Поэтому надо стремиться к минимальным зазорам пайки. В то же время очень узкие зазоры могут быть незаполнены припоем, и в паяном шве останутся пустоты, заполненные коррозионной средой – флюсом с растворенными в нем загрязнениями.

Конструкция паяного узла поддается расчету: x - соотношение между величиной зазора u и высотой h заполнения припоем вертикального паяного шва:

,

где δ – поверхностное натяжение на границе припой-флюс;

α– угол смачивания;

ρ– плотность припоя;

g – ускорение земного тяготения;

u – продолжительность заполнения припоем горизонтального паяного шва:

,

где t – продолжительность времени пайки;

J - вязкость припоя;

L – длина паяного шва.

Величина паяного зазора сказывается на надежности паяного узла таким образом, что при зазорах менее 0,2 мм заполнение зазора припоем затруднено, а при зазорах более 0,6 мм резко увеличивается частота отказов паек. Оптимальная ширина зазора – от 0,3 до 0,4 мм.

Процессы нагрева при пайке.

Различают селективный нагрев монтажных точек и групповой.

При селективной пайке нагрев ведется от точки к точке, так что все монтажное изделие и монтируемые элементы при этом остаются холодными.

К селективной пайке относятся пайки нагретым инструментом: паяльником, нагретым электродом, ИК-, световым или лазерным лучами.

Процесс пайки состоит из флюсования места пайки, нагрева до расплавления и смачивания его припоем, фиксации вывода элемента относительно контактной площадки и остывании в фиксированном состоянии. Только ручной паяльник совмещает в себе одном эти функции. Но паяльник – ручной инструмент, управляемый человеком, поэтому процесс пайки паяльником с трудом поддается управлению. В связи с этим O-характеристика паек, выполненных вручную, по всем стандартам оценивается на два-три порядка хуже максимально достижимой. Остальные виды селективной пайки поддаются разделению операций: нанесение флюса, припоя, придавливание для соприкосновения соединяемых поверхностей, нагрев соединяемых элементов до полного смачивания, остывание. Флюсование, как правило, ведут любым групповым или селективным (с помощью дозатора) способом.

Если для качественной пайки необходимо дозированное нанесение припоя, его осуществляют либо «жирным» лужением соединяемых поверхностей, либо селективным нанесением паст припоя. Пасту припоя: вязкую смесь флюса с тонко диспергированным припоем – наносят на монтажные элементы печатных плат либо методом трафаретной печати, либо селективно манипулятором с дозатором – диспенсером. Точное дозирование нанесения пасты необходимо для образования галтели припоя правильной формы, соответствующей размеру (объему) паяного узла с образованием скелетной пайки. Передозировка пасты приводит к образованию заливной (неразрешенной) пайки. Недостаточная доза не позволяет полностью сформировать качественный паяный узел.

При импульсной пайке (одной из разновидностей селективной пайки) тепловая энергия поступает в зону пайки путем кондуктивной теплопередачи от поверхности специального электрода, нагреваемого импульсом тока.

Цикл пайки состоит из:

− придавливания холодным электродом группы выводов к монтажным элементам печатной платы;

− включения импульса тока для нагрева электрода до расплавления заранее нанесенного припоя;

− выдержки для образования сплавного соединения;

− выключения тока и остывания электрода и пайки;

− подъема электрода (снятия давления электрода на выводы компонента);

− перехода инструмента в новую позицию.

Такая последовательность манипуляций при импульсной пайке позволяет жестко регламентировать режимы пайки при недостаточной определенности положения выводов компонентов над поверхностью монтажных площадок.

При лучевых методах селективной пайки прижим выводов к монтажным элементам должен обеспечиваться точной формовкой выводов и строгой дозировкой нанесения припоя перед пайкой. Фиксация прижима выводов осуществляется приклеиванием корпуса компонента к плате. Групповые методы нагрева при пайке предполагают общий нагрев всего электронного узла до температур пайки или односторонний нагрев поверхности, на которой расплавляют припой для образования паяных галтелей: пайка волной припоя, ИК-нагрев, конвекционный нагрев в печи в среде инертного газа, конденсационный нагрев подготовленного узла в парах высококипящей жидкости, погружение в горячую жидкость.

Чтобы предотвратить термоудар, перед основной зоной пайки или перед вводом изделия в нагретую среду его предварительно и постепенно подогревают. Этим существенно снимаются температурные градиенты и вызываемые ими значительные термомеханические напряжения, что существенно поднимает надежность электронных узлов.

Использование групповых методов пайки сопровождается интенсивным нагревом монтажной подложки. В качестве материалов подложек в подавляющем большинстве случаев используют композиционные материалы: стеклоэпоксидные композиты, гетинаксы, полиэфирные композиты.

Все они имеют макрокапиллярность и уже только за счет этого гигроскопичны. Гетинаксы, например, поглощают до равновесного состояния 3% влаги. При быстром нагреве до температур паек влага интенсивно (за несколько секунд) испаряется, пары за короткое время пайки не успевают выйти из объема нагрева и создают внутреннее давление, способное разорвать или расслоить изделие. Для предотвращения «термического взрыва» перед групповой пайкой необходимо предусматривать глубокую сушку плат и последующее хранение высушенного задела в сухом боксе или вакуумной упаковке.

Технологические среды для монтажа.

На качество паяных соединений оказывают существенное влияние не только технологические условия проведения процесса пайки, но и правильный выбор материалов: флюсов, припоев, очистных жидкостей.

Флюсы, образуя жидкую и газообразную защитные зоны, предохраняют поверхности металлов и расплавленного припоя от окисления (до пайки и во время нее), растворяют и удаляют уже имеющиеся пленки оксидов и загрязнений с поверхностей, улучшают смачивание металла припоем и растекание припоя за счет уменьшения сил поверхностного натяжения. Выбор флюса производится, исходя из требуемой химической активности, которая должна быть наибольшей в интервале температур, определяемом температурами плавления припоя и пайки. Он должен быстро и равномерно растекаться по паяемым материалам; хорошо проникать в зазоры и удаляться из них; легко вытесняться расплавленным припоем; быть термически стабильным; не выделять вредных для здоровья человека газообразных и других продуктов взаимодействия с металлами и припоем; не вызывать коррозии паяемых металлов и припоев; быть экономичным. Правильно выбранный флюс ускоряет процесс пайки при минимально возможных температурах, что важно при сборке и монтаже термически чувствительных ЭРК.

В зависимости от температурного интервала активности флюсы разделяются на низко- и высокотемпературные. Для монтажа ячеек ЭУ в основном применяются низкотемпературные флюсы, которые по коррозионному действию разделяют на группы: неактивированные некоррозионногенные; слабоактивированные некоррозионногенные; активированные слабокоррозионногенные; активные коррозионногенные; высокоактивные коррозионногенные. По своему составу флюсы разделяются на две группы. К первой относятся смолосодержащие флюсы на основе канифоли или полиэфирных флюсующих смол (таблица 6.1). Они обладают широкой универсальностью, не снижают электрическое сопротивление подложек и ПП, не вызывают коррозии соединяемых металлов. Однако эти флюсы обладают слабой химической активностью и предназначены для пайки легкопаяемых металлов (например, золота, меди и их сплавов). Канифольные флюсы, активированные до 2…3,5% органическими кислотами (бензойной или салициловой и др.), обладают слабо-повышенной активностью и используются при групповой и поединичной (в том числе ручной) пайке ЭРК на многослойных ПП. Заметное влияние этих флюсов на сопротивление изоляции диэлектриков и коррозию проводников требует тщательной отмывки остатков флюса после пайки.

Вторую группу составляют активные коррозионногенные флюсы, не содержащие смол (например ФТС, таблица 6.1). Для повышения активности флюсов в их состав вводят активирующие добавки: анилин, гидразин, триэтаноламин, диэтиламин соляно-кислый. При введении активаторов стремятся, чтобы при пайке добавки со щелочными свойствами нейтрализовали остатки кислотных ингредиентов. Основное применение такие флюсы нашли в процессах лужения и восстановления паяемости сопрягаемых поверхностей после хранения ЭРК, ПП и др. в цехах и на складе.

В качестве припоев используются различные цветные металлы и их сплавы, имеющие более низкую температуру плавления, чем соединяемые металлы. Исходя из температуры плавления припои разделяются на низко-, средне- и высокотемпературные. Для процессов пайки при монтаже ЭВС применяют преимущественно низко- и среднетемпературные припои . Основными ингредиентами низко- и среднетемпературных припоев являются олово и свинец, к которым для придания специальных свойств могут добавляться присадки сурьмы, серебра, висмута, кадмия (таблица 6.2). Так, серебро и сурьма повышают, а висмут и кадмий понижают температуру плавления и затвердевания припоя. Серебро задерживает снижение прочности спаев при старении, уменьшает окисление олова и замедляет процесс растворения основных металлов припоем. Сурьма увеличивает прочность паянного соединения, но делает его хрупким, ухудшает растекание припоя по меди. Механическая прочность припоев повышается с увеличением содержания олова, но при этом одновременно увеличивается и его стоимость, так как свинец приблизительно в 20 раз дешевле олова.

Таблица 6.1- Основные сведения о флюсах, используемых при монтаже ЭУ с применением оловянно-свинцовых припоев.

Марка	Состав и содержание (массовые доли), %	Температурный диапазон максимальной активности,	Влияние остатков и продуктов пайки на коррозионную стойкость ЭУ
	Канифоль сосновая 50…90; спирт этиловый 10…50	от 160 до 300	Очень слабое
	Канифоль сосновая 15..30; кислота салициловая 3…3,5; триэтаноламин 1…1,5; спирт этиловый 81…65	от 140 до 300	Слабое
	Канифоль сосновая 20…25; спирт этиловый 68…76; диэтиламин солянокислый 3…5; триэтаноламин 1…2	от 160 до 350	Слабое
	Канифоль сосновая 25 … 30; анилин солянокислый 3…4; спирт этиловый 72…66	от 180 до 350	Отсутствует
	Смола полиэфирная 20…30; этилацетат (или метилэти-ленкетон) 70…80	от 200 до 350	Очень слабое
	Триэтаноламин 1…1,5; салициловая кислота 4…4,5; спирт этиловый 94…95	от 200 до 300	Слабое

Выбор марки припоя определяется назначением и конструкторскими особенностями изделий; типом основного металла и технологического покрытия; максимально допустимой температурой при пайке ЭРК, а также технико-экономическими и технологическими требованиями, предъявляемыми к паянным соединениям. К техническим требованиям относятся достаточная механическая прочность и пластичность; заданные теплопроводность и электрические характеристики; температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), близкий к ТКЛР паяемых металлов; коррозионная стойкость монтируемых соединений как в процессе пайки, так и при эксплуатации изделий. Припой должен быть экономичным и не содержать дефицитных ингредиентов. Технологические требования к припою предусматривают хорошую смачиваемость соединяемых им металлов; высокие капиллярные свойства; малый температурный интервал кристаллизации для исключения появления пор и трещин в паянных соединениях; возможность дозирования его в виде проволоки, трубок с наполнением их флюсом, шариков, таблеток и т.п.

Интенсивное освоение и повсеместное внедрение техники поверхностного монтажа в производствах ЭВС способствовали разработкам большого разнообразия припойных паст, обеспечивающих высокоточное дозирование припоя (таблица 6.2). Различные свойства припойных паст и особенности их использования излагались в предыдущей лекции.

Порядок выполнения работы

1. Получить у преподавателя задание и материалы для выполнения лабораторной работы.

2. Изучить сборочный чертеж ПП.

3. Определить тип компонентов, которые будут монтироваться на ПП.

4. Согласно спецификации и сборочному чертежу определить, куда будут устанавливаться электронные компоненты.

5. Определить, каким типом нагрева будет производиться монтаж.

5. Профлюсовать КП на ПП.

6. Установить электронный компонент и, используя выбранный тип нагрева, произвести монтаж.

7. Произвести визуальный осмотр качества монтажа.

Таблица 6.2 - Сведения о припоях, применяемых для монтажа ЭУ

Марка припоя	Химический состав, вес.%											Температура плавления,	Рабочая температура ванн,
	Sn	Pb	Sb	Cu	In	Bi	Si	Cd	Ge	Ag	Au
ПОС-61	61	38.1	0.8	-	-	0.1	-	-	-	-	-	183	220-240
ПОСВ-50(33)	25(17)	25	-	-	-	50(33)	-	-	-	-	-	91(130)	130-140(170-180)
ПОСК-50-18*	50	32	-	-	-	-	-	18	-	-	-	145	180-195
ПСрОС3-58	58	38.5	0.5	-	-	-	-	-	-	3	-	185	225-235
ПСрОСИн3-56	56	39.5	0.5	-	3	-	-	-	-	1.0	-	175	215-225
Сплав Розе**	15(17)	31(33)	-	-	-	54(50)	-	-	-	-	-	93-96***	-
ПОИн5	96(94)	-	-	-	4(6)	-	-	-	-	-	-	220-225	-
ПСр1	35	61.5	-	-	-	-	-	2.5	-	1.0	-	225-235	-
ПЗлОл-78.5	21.8	-	-	-	-	-	-	-	-	-	78.5	280-290	-
Ин1	-	-	-	-	99.995	-	-	-	-	-	-	156	-
ПЗлГр-880	-	-	-	-	-	-	-	-	12	-	88	356	-
ПЗлГр-970	-	-	-	-	-	-	3	-	-	-	97	377	-
ПСИн15	-	86-84	-	-	14-16	-	-	-	-	-	-	285-290	-
ПОС-61М	59-61	39.8-37	-	1.2-2.0	-	-	-	-	-	-	-	183-192	220-240
ПСрОЗ-97	97	-	-	-	-	-	-	-	-	3	-	221-225	-
ПОВи0.5	99.6-99.4	-	-	-	-	0.4-0.6	-	-	-	-	-	224-232	-
*Данный припой для применения в ваннах с волнообразователями не пригоден из-за быстрой потери жидкотекучести и смачивающей способности. **Данный припой и все нижеследующие (кроме ПОС-61М) используются, преимущественно, для монтажа микросборок (или многокристальных модулей). ***Приводится начальная и конечная температуры оплавления.

Таблица 6.3 - Сведения о припойных пастах используемых в производстве ячеек ЭВС

Марка пасты	Марка припоя в составе пасты (или состав припоя)	Температура оплавления,	Прочие сведения
ППЛ-40с; ПП1-180; ПП-1;	ПОС-61	от 180 до 230	Возможность нанесения с помощью дозатора и контактной печатью. Отмывка остатков флюса трихлорэтиленом, изопропиловым спиртом, фреоном с применением ультразвука.
ППЛ-40с; ПП180Ср	ПСрОС3-58	от 190 до 230
ППЛ-206	ПОС-61	от 180 до 200	Возможность нанесения с помощью дозатора и контактной печатью. Отмывка остатков флюса трихлорэтиленом, фреоном. Обладает повышенной влагостойкостью. Отмывка с ультразвуком.
ППЛ-206с	ПСрОС3-58	от 190 до 230
ПП-140	ПСОВи-139	от 140 до 150	Возможность нанесения с помощью трафаретной печати, отмывка остатков флюса трихлорэтиленом и азеотропными растворителями. Требуют специальных флюсов.
ПП-2	ПОССу-18-0.5	от 190 до 230
ППЛ-210	ПОС-61	от 180 до 230	Возможность нанесения с помощью дозатора и методом контактной печатью. Отмывка остатков флюса трихлорэтиленом, фреоном с применением ультразвука.
ППЛ-210с	ПСрОС3-58	от 180 до 230
ППЛ-260	ПОС-61	от 180 до 230	Возможность нанесения контактной печатью. Отмывка остатков флюса водой или диметилформамидом с применением ультразвука.
ППЛ-260с	ПСрОС3-58	от 180 до 230
ПЛ-111	ПОС-61	225 5	Флюс на основе гидразина солянокислого. Растворитель остатков: вода.
ПЛ-112	ПОС-61	225 5	Флюс на основе канифоли, растворитель – хлористый метилен.
ПЛ-312	ПСрОС3-58	235 5	Флюс на основе канифоли, растворитель – хлористый метилен.
ПЛ-423	ПОСК50-18	180 5	Флюс – аммонийные соли, растворитель – вода, ацетон.
ПЛ-113	ПОС-61	235 5	Флюс – органическая соль, растворитель – вода, ацетон.
ПЛ-114	ПОС-61	235 5	Флюс – органическая соль, растворитель – спиртобензиновая смесь.
РМ-92	Sn(62%) Pb(36%) Ag(2%)	180-230	Флюс не требует очистки. Нанесен. дозатором, контактной или трафаретной печатью

Требования к отчету

Отчет должен быть оформлен согласно ГОСТу 7.32-2001 и содержать:

1. Титульный лист.

2. Цель работы.

3. Краткие сведения по компонентам, используемым в технологии поверхностного монтажа и описание технологии поверхностного монтажа.

4. Результаты выполнения задания представить в таблицы, где описаны используемые материалы и компоненты, а также описать используемую технологию поверхностного монтажа.

5. Выводы по работе.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Классификация способов нагрева.

2. Процессы на границе раздела.

3. Процессы нагрева при пайке.

4. Пайка волной припоя.

5.Инфракрасная пайка.

6. Конвекционный нагрев.

7. Конденсационная пайка.

8. Локальная пайка.

9. Пайка паяльниками.

10. Пайка горячим газом.

11. Пайка сопротивлением.

12. Лучевая пайка.

13. Лазерная пайка.

14. Флюсы для поверхностного монтажа.

15. Припои для поверхностного монтажа.