Основы проектирования электронных средств Материалы к Экз ОПЭС-2014 РК-01-02 / Не для распространения Введение в технологию поверхностного монтажа

4.Слишком много припоя. Большая погрешность из-за местного увеличения теплоемкости.

2

1

Ошибки при присоединении

термопар

3

Рис. 4.7. Результаты измерений

4.4. Технология двухсторонней пайки

На практике используются три способа пайки двусторонних печатных узлов:

∙пайка за один этап;

∙пайка в два этапа;

∙пайка с применением клея.

На компонент, расположенный с нижней стороны печатной платы, действует сила тяжести и удерживающие силы, направленные вверх и возникающие за счет сил поверхностного натяжения припоя (Рис. 4.8). На этом принципе основаны первые два

F1

Рис. 4.8. Силы, действующие на компонент при двухсторонней пайке оплавлением

Значения сил F1 и F2 можно рассчитать следующим образом. F1 = m * g,

где, m - масса компонента, кг

g - ускорение свободного падения, м/с2

F2 = σ * c * cosθ, где

где, σ - поверхностное натяжение припоя = 0.4 Дж/м2,

c - периметр области, которая заключает в себе паяное соединение вывода компонента, θ - угол смачивания.

91

Компонент не падает, если значение удерживающих сил превышает величину силы тяжести, т.е. если

σ * c > m * g

Из этой формулы в предположении абсолютной смачиваемости (θ=0) следует предельное отношение массы компонента к периметру, при котором компонент не падает:

m/c < 40 мг/мм.

В Рис. 4.8 приведены данные о величине m/c для некоторых компонентов.

Табл. 4.1. Характеристики некоторых компонентов

Максимальное допустимое отношение m/c, при котором компонент удерживается, составляет 20 мг/мм. Как видно из таблицы, ни один из приведенных компонентов не должен упасть, будучи установленным с нижней стороны платы. В реальных производственных условиях в зависимости от состояния выводов и контактных площадок могут наблюдаться отклонения от приведенной закономерности. Из практики известно, что при двухсторонней пайке гарантированно удерживаются компоненты типоразмером до SO20 включительно.

Пайка за один этап (Рис. 4.9) может быть реализована в условиях единичного и мелкосерийного производства. Ее существенный недостаток заключается в очень узком окне технологического процесса, что требует точного подбора температурного профиля для обеспечения одновременной пайки компонентов на верхней и нижней стороне печатного узла. Пасты, применяющиеся для реализации данного способа, должны обладать высокой клейкостью.

Рис. 4.9. Пайка за один этап

При пайке в два этапа на первом этапе происходит установка и пайка компонентов на первой стороне (Рис. 4.10). На втором этапе осуществляется установка и пайка компонентов на второй стороне (Рис. 4.11). Преимущество данного способа заключается в более широком окне процесса. Недостаток метода состоит в том, что при пайке многослойных печатных плат возможно расслоение диэлектрика в случае большой разности температур с верхней и нижней сторон печатного узла.

92

соединений. В качестве аргумента приводится тот факт, что частицы паяльной пасты окисляются еще на этапе ее производства. И даже при остаточном уровне кислорода в печи 10 ppm окисление частиц пасты уменьшается только как 1:60 по сравнению с пайкой в воздухе. Тем не менее, процесс пайки в среде азота обладает рядом общепризнанных преимуществ:

∙более широкое технологическое окно процесса;

∙большее поверхностное натяжение и меньшее вторичное окисление выводов компонентов приводит к увеличению поверхности выводов компонентов, смачиваемой припоем, вплоть до 30% и обеспечивает лучшее самоцентрирование компонента в случае его установки со смещением;

∙меньшее вторичное окисление также увеличивает смачивание контактных площадок с покрытием NiAu или Cu;

∙большее поверхностное натяжение припоя уменьшает вероятность образования шариков припоя при использовании пасты с мелкими частицами припоя, имеющей большую площадь поверхности частиц, – частицы спаиваются более легко;

∙поверхность паяного соединения выглядит более гладкой и, в некоторых случаях, более глянцевой;

∙возможность использования слабо- и среднеактивированных флюсов;

∙более высокая надежность при пайке BGA компонентов;

∙благодаря большему поверхностному натяжению компоненты, обладающие большей массой и размерами, могут удерживаться на нижней стороне платы при пайке оплавлением двусторонних печатных узлов в два этапа;

∙меньшее повторное окисление паяных соединений на нижней стороне платы при пайке оплавлением двухсторонних печатных узлов в два этапа;

∙меньшее изменения цвета платы при пайке.

Пайке в среде азота свойственен и ряд недостатков:

∙увеличение стоимости – главный недостаток;

∙большее поверхностное натяжение может приводить к увеличению вероятности возникновения перемычек припоя при пайке компонентов с малым шагом выводов в случае неточного нанесения паяльной пасты;

∙увеличение вероятности возникновения эффекта “надгробного камня”.

Область применения пайки в среде азота:

∙пайка бессвинцовыми припоями;

∙пайка двухсторонних плат;

∙пайка компонентов с малым шагом выводов;

∙пайка по чистой меди.

Каков максимально допустимый остаточный уровень кислорода? Это зависит от состояния печатной платы, компонентов и используемой пасты. Если контактные площадки или выводы компонентов обладают плохой паяемостью, и активность флюса мала, необходимо обеспечить низкий остаточный уровень кислорода. Остаточный уровень кислорода должен лежать в пределах 100-1000 ppm в зависимости от вышеупомянутых факторов. При использовании паяльных паст с малоактивным флюсом остаточный уровень кислорода, возможно, должен быть еще ниже. Единственный способ определения верного остаточного уровня кислорода – это проведение экспериментов при различных уровнях. Одним из вариантов может быть пайка ряда ПП с постепенным сокращением остаточного уровня кислорода с последующим визуальным контролем сформировавшихся паяных соединений. Такой эксперимент подскажет максимально допустимый остаточный уровень кислорода.

Визуальный контроль с использованием микроскопа подтверждает улучшение качества паяных соединений, полученных при пайке в среде с низким содержанием кислорода. Если во время испытаний производить постепенное снижение остаточного

94

уровня кислорода, то можно легко наблюдать улучшение смачивания контактных площадок и выводов компонентов. Это особенно заметно на медных выводах микросхем, смоченных припоем с дальнейшим образованием качественной галтели.

На Рис. 4.14 показано улучшение смачивания выводов компонентов при использовании азотной среды. Остаточный уровень кислорода в зоне пайки составлял примерно 300 ppm. Как видно на фотографии, припой затекает вверх по выводу и полностью покрывает вывод. Под “пятками” выводов микросхемы припой затечет выше и увеличит площадь контакта припоя с выводами, следовательно, повысится прочность паяного соединения. Для сравнения на Рис. 4.15 приведена фотография выводов микросхемы, пайка которых осуществлялась в воздушной среде. Использование азотной среды улучшает качество пайки не только микросхем, но и транзисторов, катушек индуктивности и т.д.

Потребление азота зависит от исходной чистоты азота, типа печи и остаточного уровня кислорода, который необходимо обеспечить.

Как правило, исходная чистота азота составляет 5 ppm остаточного кислорода. Такая чистота может быть обеспечена только использованием жидкого азота. Для получения газообразного азота из жидкого используются специальные испарители. Если длина трубопровода от испарителя до установки превышает 50 м и проходит по зданию, нет необходимости в дополнительном оборудовании для нагрева газообразного азота.

Примерное потребление азота в печах серии Hotflow представлено в Табл. 4.2. Приведенные данные соответствуют следующим исходным параметрам:

∙Ширина конвейера 250 мм

∙Высота компонентов 15 мм

∙Азот 5.0 (чистота O2 < 5 ppm)

Табл. 4.2. Примерное потребление азота в печах серии Hotflow

Потребление азота также зависит от системы управления подачей азота. Существуют два конструктивных исполнения печей: только с расходомерами, позволяющими контролировать расход азота, подаваемого в печь, и с регулированием остаточного уровня кислорода в печи. Печи с регулированием остаточного уровня кислорода снабжены газоанализатором, регистрирующим текущий уровень кислорода в печи и обеспечивающим обратную связь с системой управления, которая управляет

95

пропорциональным клапаном, автоматически увеличивающим или уменьшающим подачу азота в печь в зависимости от текущего уровня остаточного кислорода.

Какова экономическая выгода пайки в среде азота? Она должна рассчитываться в каждом конкретном случае. Экономия средств вследствие снижения уровня брака при пайке может быть определена довольно просто. Но другие выгоды рассчитать гораздо сложнее. Однако все сводится к сравнению экономии средств и других преимуществ со стоимостью азота и оборудования для его подачи.

4.6. Пайка бессвинцовыми припоями

Согласно директивам Европейского сообщества (ЕС) с 1 июля 2006 г. запрещается применение свинца в производстве электроники во всех странах, входящих в ЕС. Использование бессвинцовых припоев вынуждает производителей знакомиться с новыми материалами и адаптировать существующие производственные процессы под новые требования.

Наиболее вероятной заменой традиционных оловянно-свинцовых припоев может стать припой на основе олова, содержащий серебро и медь (Sn/Ag/Cu). Однако для внедрения в производство такого припоя необходимо сначала преодолеть ряд трудностей. Например, при использовании традиционного оловянно-свинцового припоя неудовлетворительное смачивание поверхностей может быть частично компенсировано увеличением температуры пайки, что гораздо сложнее реализовать при пайке припоями Sn/Ag/Cu. Использование бессвинцовых припоев приводит к сужению окна технологического процесса, так как у них температура ликвидуса выше, а также и потому, что материалы, из которых изготовлены печатные платы (ПП), имеют ограниченные максимально допустимые температуры нагрева, которому они могут подвергаться в течение определенного промежутка времени без возникновения повреждений. Одним из способов компенсации сужения окна технологического процесса и сокращения разницы между температурой пайки и ликвидуса является пайка в среде азота.

4.6.1. Типы бессвинцовых припоев

Так как применение свинца в электронной промышленности будет запрещено в скором времени, необходимо найти подходящую замену свинцовосодержащим припоям и покрытию выводов компонентов и контактных площадок. Этот поиск, ведущийся, по крайней мере, 15 лет, интенсифицировался в последнее время. Исследования и испытания различных припоев привели к появлению рекомендаций к применению припоев на основе олова, содержащих небольшой процент серебра и/или меди и/или висмута, а некоторые предприятия уже внедрили их в производственный процесс. Однако замена свинца оловом приведет к повышению температуры ликвидуса припоя со 183°C (для припоя Sn63/Pb37) примерно до 210-230°C в зависимости от состава припоя.

Повышение температуры приведет к увеличению скорости окисления. Олово, являясь основным компонентом многих бессвинцовых припоев, обладает большим сродством к кислороду, чем свинец. В действительности, значение коэффициента роста оксидной пленки для припоя из чистого олова в два раза выше, чем для припоя Sn60/Pb40. Одним из способов уменьшения влияния окисления является применение высокоактивных флюсов для удаления окислов в процессе пайки. Другой, более экологически безвредный способ заключается в использовании малоактивных флюсов и защите припоя от окисления с помощью инертной среды, например, азотной.

Ниже приведены основные типы бессвинцовых припоев и их температуры плавления (см. Табл. 4.3). Рассмотрим каждый из этих припоев.

96

Табл. 4.3. Типы и температуры плавления бессвинцовых припоев

Припой Sn/Ag (Sn96,5/Ag3,5). Данный припой обладает достаточной смачивающей способностью и прочностью. В некоторых источниках отмечаются его более высокие термоусталостные свойства по сравнению с оловянно-свинцовыми припоями. Повреждения, вызванные термической усталостью, усиливаются при повышенных температурах. В системе Sn/Pb относительно высокая растворимость в твердом состоянии свинца в олове и наоборот, особенно при повышенных температурах, приводит к укрупнению зерна. Известно, что эти неоднородные укрупненные зерна являются концентраторами напряжений, приводящих к зарождению и развитию трещин. Имеются многочисленные подтверждения того, что микроструктуры такого типа в сплавах Sn/Pb разрушаются вследствие возникновения полосы укрупненных зерен, из которой начинается рост усталостных трещин. Для сравнения, в системе Sn/Ag растворимость серебра в олове невелика, что обеспечивает более высокую сопротивляемость к укрупнению зерна сплавов этой системы. В результате, эвтектический припой Sn96,5/Ag3,5 обладает более стабильной однородной микроструктурой, что повышает надежность.

Хотя припой Sn96,5/Ag3,5 сам по себе обладает высокой стабильностью микроструктуры, при пайке поверхностей на основе меди из-за большего содержания олова (96,5% по сравнению с 63%) и более высокой температуры пайки увеличивается скорость диффузии меди в олово. При достижении соответствующей концентрации происходит образование и рост хрупкого интерметаллического соединения Cu6Sn5. Для снижения скорости диффузии и, тем самым, уменьшения проникновения меди в олово, возможно использование других покрытий паяемых поверхностей, например, иммерсионного золота (трехслойное покрытие Au-Ni-Cu). Слой никеля толщиной 2 мкм играет роль эффективного диффузионного барьера, ограничивая проникновение меди в припой и образование хрупкого интерметаллического соединения Cu6Sn5.

Припой Sn/Ag/Cu (Sn95,5/Ag4,0/Cu0,5). Так как стойкость паяного соединения к механическим воздействиям уменьшается при температурах, близких к температуре плавления припоя, термоциклирование при повышенных температурах более опасно для оловянно-свинцовых (температура плавления 183°C), чем высокотемпературных припоев. Температура плавления припоя Sn/Ag/Cu делает его идеально подходящим для пайки изделий с высокими рабочими температурами (до 175°C). Что касается смачивания, припой Sn/Ag/Cu не так хорошо смачивает медные поверхности, как припой Sn/Pb при использовании распространенных флюсов. Однако образования качественных галтелей можно достичь при условии, что применяемые флюсы пригодны для пайки при высоких температурах. Пайка в азотной среде также улучшает смачивание при использовании флюсов, не требующих отмывки. Тест на растворение меди показал относительно высокую тенденцию растворять медь из покрытий и образовывать интерметаллическое соединение Cu6Sn5.

Припой Sn/Cu (Sn99,3/Cu0,7). Данный припой также может использоваться при пайке изделий, работающих при высоких температурах, например, в автомобильной

97

промышленности. Это наиболее приемлемый вариант для предприятий, ищущих припои, не содержащие свинец и серебро. Предварительные испытания данного припоя выявили существенно лучшие усталостные свойства и предел ползучести по сравнению со стандартными оловянно-свинцовыми припоями. Однако припои Sn/Cu/X показали лучшие результаты при испытании на ползучесть.

Припой Sn/Ag/Cu/Sb (Sn96,2/Ag2,5/Cu0,8/Sb0,5). Механические характеристики и показатели надежности припоев данной системы схожи с характеристиками припоев системы Sn/Ag/Cu. Однако его применение вызывает некоторые опасения из-за содержания в нем токсичной сурьмы.

Припой Sn/Ag/Bi (Sn91,8/Ag3,4/Bi4,8). Вообще говоря, висмут добавляется в припои Sn/Ag/X в целях снижения температуры плавления. Еще одним преимуществом добавления висмута является более высокая прочность паяных соединений, что было показано при механических испытаниях. Данный припой был разработан Sandia National Labs. Испытания, проведенные Sandia, показали отсутствие повреждений электрических цепей печатных узлов (ПУ) с компонентами поверхностного монтажа после 10000 циклов изменения температуры. Для испытания использовались компоненты PLCC68, SOIC24 и чип-конденсаторы 1206, установленные на стандартные платы из FR4. ПУ подвергались нагреванию от 0 до 100°C со скоростью 10°C/мин. После 5000 циклов не было обнаружено трещин или деформаций на разрезах платы. Эти результаты хорошо согласуются с данными, собранными Национальным центром технологий США (National Centre for Manufacturing Sciences, NCMS) в рамках проекта по пайке бессвинцовыми припоями, сообщившим о высокой сопротивляемости припоя термической усталости при использовании печатных плат с органическим защитным покрытием контактных площадок и сквозных отверстий.

Припой Sn/Ag/Bi/Cu (Sn90/Ag2,0/Bi7,5/Cu0,5). Хотя добавление висмута в систему Sn/Ag/X увеличивает прочность паяных соединений и улучшает смачивание, слишком большое содержание висмута (более 5%) приводит к образованию двойной эвтектики Sn/Bi при 138°C или тройной эвтектики Sn/Ag/Bi при 136,5°C. Для припоя с содержанием висмута 7,5% это соответствует примерно 1% объема паяного соединения. При приближении температуры к 138°C 1% паяного соединения расплавится, что неминуемо скажется на надежности. Данная проблема вместе с недостатком, связанным с формированием соединения SnPbBi при 96°C, делает этот припой маловероятным кандидатом для бессвицовой пайки.

Припой Sn/Bi (Sn42/Bi58). Низкая температура плавления данного припоя делает его пригодным для пайки термочувствительных компонентов и подложек. Если бы данный припой содержал свинец, то могло бы формироваться эвтектическое соединение SnPbBi при 96°C, что, в свою очередь, неблагоприятно сказалось бы на термоусталостных свойствах. В рамках исследовательского проекта пайки бессвинцовыми припоями Национального центра технологий США было заявлено о результатах испытаний на термоциклирование (0/100°C, -55/+125°C) с проведением 5000 циклов испытаний ПП с органическим защитным покрытием контактных площадок и сквозных отверстий. Результаты показали, что припой Sn/Bi превзошел припой Sn/Pb в обоих испытаниях. Однако предполагалось, что близость 125°C к температуре двойной эвтектики Sn/Bi, равной 138°C, приведет к неудовлетворительным результатам. Было предложено два вероятных объяснения этого неожиданного результата. Возможно, сплав Sn/Bi подвергается отжигу при температуре 125°C, уменьшающему напряжения, возникающие при термоциклировании. Второе объяснение заключается в претерпевании сплавом рекристаллизации. Кроме того, не наблюдалось образование высокой галтели по причине эвтектической природы сплава.

Припой Sn/Sb (Sn95/Sb5). Припой 95Sn/5Sb – это твердый раствор сурьмы в олове. Относительно высокая температура плавления данного припоя делает его пригодным для применения в качестве высокотемпературного. Сурьма придает прочность и твердость.

98

При сравнении пределов текучести различных припоев было обнаружено, что предел текучести припоя Sn/Sb составляет 37,2 МПа и почти равен значению, показанному припоем Sn/Ag (37,7 МПа). Высокий предел текучести данного сплава приводит к тому, что в случае тонкого интерметаллического соединения трещина развивается по границе припоя с интерметаллическим соединением – пути, требующему минимальных затрат энергии. Повышение толщины интерметаллического соединения приводит к прохождению трещины сквозь интерметаллид. Образование интерметаллического соединения SbSn возможно при таком уровне содержания Sb. Эта фаза имеет кубическую структуру с высокой твердостью. Испытания на смачивание проводились при использовании RMA-флюса. Смачивание припоем Sn95/Sb5 медной проволоки при испытании в течение 2 сек. значительно меньше, чем припоями Sn63/Pb37 и Sn96,5/Ag3,5. Помимо низкой смачивающей способности, токсичность сурьмы также вызывает опасения. Как и висмут, сурьма является побочным продуктом при производстве свинца.

Припой In/Sn (In52/Sb48). Данный припой относится к низкотемпературным припоям. Благодаря содержанию индия он обладает высокой стойкостью к окислению, однако склонен к коррозии в среде с высокой влажностью. Более того, это очень мягкий металл. К тому же сплав In52/Sn48 обладает довольно низкими термоусталостными свойствами по причине низкой температуры плавления. Высокое содержание индия в этом припое препятствует его широкому применению из-за стоимости и ограниченной доступности.

Припой Sn/Zn (Sn91/Zn9). Наличие цинка в припоях приводит к окислению и коррозии. Слитки из этих сплавов, подвергавшиеся воздействию пара в течение 8 ч., сильно корродировали, о чем свидетельствовал багрянистый цвет поверхности. Припой в форме порошка интенсивно реагирует с кислотами и щелочами с образование газов. Известно, что цинкосодержащие припои вступают в реакцию с флюсом, что со временем приводит к отвердеванию пасты. Таким образом, совместимость с флюсами и продолжительность срока хранения данного припоя находится под вопросом. При пайке оплавлением припой Sn/Zn не продемонстрировал достаточно высокую смачивающую способность, показанную другими бессвинцовыми припоями. При пайке волной припоя наблюдалась тенденция к образованию большого количества шлама. Следовательно, возможность промышленного применения данного припоя и цинкосодержащих припоев в целом сомнительна.

Припой Au/Sn (Au20/Sn80). Эвтектический припой Au/Sn образует паяные соединения, отличающиеся высокой твердостью благодаря формированию хрупкого интерметаллического соединения. Однако были обнаружены проблемы, связанные с растрескиванием при пайке данным припоем. Не установлено, возникает ли растрескивание во время сборки ПУ или термоциклирования. Высокая цена данного припоя ограничивает его применение в тех случаях, когда издержки являются сдерживающим фактором.

4.6.2. Отличие бессвинцовой технологии от стандартного процесса

Бессвинцовая пайка практически ничем, кроме более высокой температуры, не отличается от традиционной Sn/Pb-технологии. Однако могут потребоваться некоторые изменения на определенных операциях техпроцесса. Так, например, новые типы припоев и флюсов могут повлиять на характеристики паяльной пасты. Могут измениться такие свойства паст, как срок службы и хранения, текучесть, что потребует изменения конструкции ракеля и режимов оплавления.

Под воздействием повышенной температуры пайки может произойти вспучивание корпусов микросхем, растрескивание кристаллов, нарушение функционирования схем. Схожие эффекты возникают и в печатных платах. Под действием температуры происходит расслоение основания, ухудшается плоскостность, что отрицательно сказывается на точности установки микросхем, особенно в корпусах больших размеров.

99

Большинство компонентов совместимы с температурным режимом бессвинцовой пайки. Исключение составляют некоторые типы интегральных схем, конденсаторов и разъемов, предельная температура пайки для которых не должна превышать 225-230°C.

Что касается оплавления, то основные изменения связаны, в первую очередь, с более высокой температурой пайки. Требуется более тщательный выбор компонентов и материалов основания платы. Другие проблемы касаются охлаждения устройства и поддержки платы. Особенно чувствительны к скорости охлаждения многокомпонентные сплавы, содержащие более двух металлов. В таких припоях могут образовываться различные интерметаллические соединения в зависимости от скорости охлаждения. Повышенная температура пайки может привести к кристаллизации остатков флюса, что затруднит отмывку печатных узлов после пайки.

Внешний вид паяного соединения при пайке бессвинцовым припоем весьма сильно отличается от традиционного. Для оценки качества паяных соединений, полученных с использованием бессвинцовых припоев, возможно, потребуется разработать новые критерии.

Рис. 4.16. Внешний вид паяного соединения при использовании бессвинцового припоя

При монтаже плат больших размеров с массивными компонентами потребуется либо увеличивать время воздействия температуры, либо повышать температуру пайки, что следует учитывать при выборе компонентов и материалов печатных плат. При пайке бессвинцовыми припоями компонентов с выводами, покрытыми Sn/Pb, могут образовываться шарики припоя.

4.6.3.Пайка бессвинцовыми припоями в инертной среде

ВШвеции была проведена серия испытаний с целью выяснения влияния различных факторов на технологический процесс пайки.

Испытания на растекаемость припоя проводились в различных средах, при различных температурах пайки и длительности нахождения припоя в жидком состоянии. При этом методом трафаретной печати наносилось одинаковое количество паяльной пасты на медную поверхность. Объем паяльной пасты определялся, исходя из толщины трафарета и диаметра отверстий в нем. Далее производилось оплавление припоя, и затем измерялась площадь, покрытая припоем.

Не стоит забывать, что результаты теста на растекаемость припоя нельзя напрямую распространять на пайку компонентов, установленных на ПП, потому что пайка ПУ – это взаимодействие паяльной пасты с выводами компонентов и контактными площадками ПП, среды и профиля пайки, определяющее окончательный результат.

100