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

предприятиях внутренними нормативами должны устанавливаться допустимые максимальные степени загрязнения припоя и определяться периодичность анализа припоя.

Влияние примесей на качество расплавленного припоя приведено в Табл. 5.6. Как видно из таблицы, требования отечественных и зарубежных нормативных документов “слегка” отличаются. Следовательно, наиболее дешевые припои, даже удовлетворяющие требованиям отечественного ОСТ 4Г 0.054.267, не обязательно наиболее экономичны с точки зрения срока жизни в ванне, надежности и качества паяных соединений.

Корректировка состава припоя. При превышении хотя бы одного из предельно допустимых показателей по примесям ванна для пайки считается не пригодной для использования. Однако в очень редких случаях необходима полная замена содержимого ванны, как правило, замене подвергается лишь часть припоя. Превышение допустимого предела для каждого элемента примеси (А) может быть определено по формуле: А = ((С – В) / В) * 100%, где С – результат анализа, В – допустимое значение.

В результате удвоения полученного результата определяется количество припоя подлежащего замене, при этом степень загрязнения ванны по данной примеси уменьшается до 50% предельно допустимого значения.

Пример: Измеренное содержание Cu в ванне составило 0,28%. Предельно допустимое содержание Cu в ванне 0,25%. Содержание ванны: 500 кг.

А = ((0,28 – 0,25) / 0,25) * 100% = 12% (превышение допустимой концентрации примеси Cu на 12%).

Таким образом, количество припоя подлежащего замене составляет 24% от объема ванны. Замена 24% от 500 кг = 120 кг. Необходимо заменить 120 кг припоя в ванне новым припоем.

Снизить концентрацию следующих примесей в припое также возможно с применением перфорированного черпака: Cu до 0,17-0,19%, Fe до 0,01% и Au до 0,15%.

5.8. Технологические параметры

Основные технологические параметры процесса пайки волной:

∙наносимое количество флюса;

∙температура в зоне предварительного подогрева;

∙скорость конвейера и угол наклона конвейера;

122

∙высота волны;

∙ширина смачивания;

∙температура припоя.

Параметры конвейера. В общем случае угол наклона конвейера в установках пайки волной припоя может регулироваться в пределах 5-9°. С увеличением угла наклона конвейера улучшаются условия для стекания избытка припоя с платы, что уменьшает вероятность образования перемычек. Однако одновременно с увеличением угла наклона ухудшается проникновение припоя в переходные и монтажные отверстия. Оптимальный угол наклона определяется также конструкцией ламинарного волнообразователя, и для установок пайки волной фирмы ERSA составляет 7°.

Скорость конвейера задается с учетом температуры предварительного нагрева и времени контакта ПП с волной припоя. В общем случае для обеспечения хорошего качества пайки рекомендуется выставлять скорость в пределах 80-140 см/мин.

Нанесение флюса распылением. Флюсователь распылением должен обеспечивать равномерное нанесение флюса без «сухих полос». При возникновении «сухих полос» следует либо снизить скорость конвейера, либо использовать распылительную головку с большим углом раскрытия. Если не офлюсовывается начальный участок платы, следует скорректировать параметры флюсователя таким образом, чтобы движение флюсователя начиналось раньше.

Давление распыления влияет на результат флюсования следующим образом. Если оно слишком низкое, капли флюса укрупняются и имеют нестабильные размеры. В свою очередь, чрезмерно высокое давление приводит к очень мелкодисперсному распылению, что может вызвать потерю активности флюса еще в зоне предварительного нагрева. Давление распыления во флюсователях распылением фирмы ERSA, как правило, настроено на оптимальную величину, которую не следует изменять.

В случае применения флюсов с высокой плотностью, таких как VOC-free (флюсы на водной основе) давление распыления следует увеличить на 10-20% по сравнению с флюсами на спиртовой основе.

Пенное флюсование. Настройка пенных флюсователей производится с помощью стеклянной платы. Интенсивность подачи воздуха должна быть установлена таким образом, чтобы ширина смачивания стеклянной платы флюсом составляла около 1 см. Устанавливать интенсивность подачи воздуха более 80% не рекомендуется, т.к. это приведет к укрупнению пузырьков пены и, как следствие, к ухудшению флюсования. Если увеличением интенсивности не удается добиться требуемой ширины смачивания, следует настроить высоту флюсования, которая, как правило, составляет порядка 10мм.

Предварительный нагрев.

Выбор температуры предварительного нагрева зависит от конструкции ПП, а также от температуры испарения растворителя. Для флюсов на спиртовой основе общепринятыми являются следующие режимы.

Табл. 5.7. Режимы предварительного подогрева для флюсов на спиртовой основе

Особенное внимание следует уделить подогреву при работе с многослойными ПП, который должен обеспечить качество пайки сквозных металлизированных отверстий. При наличии на плате массивных компонентов следует использовать коротковолновые динамические нагреватели. Изменение температуры на стадии предварительного нагрева должно осуществляться со скоростью не более 2°С/сек. В случае недостаточного прогрева и неполного удаления растворителя флюса при пайке

123

происходит выделение газов в волну припоя, что приводит к образованию шариков припоя, ухудшает смачивание и может приводить к непропаям выводов компонентов.

Высота волн. Механическая высота волн, т.е. расстояние от верхней точки волнообразователя до нижней стороны платы должно составлять для турбулентной волны 7 мм, для ламинарной волны 6,5 – 7 мм.

Ширина смачивания. Этот параметр совместно со скоростью конвейера определяет время контакта платы с припоем. Настройка ширины смачивания производится с помощью стеклянной платы. Стеклянная плата должна быть предварительно офлюсована. Оптимальными являются следующие параметры:

∙для турбулентной волны 1-1,5 см,

∙для ламинарной волны – 3-4 см.

Температура припоя в ванне. Температура припоя в ванне может устанавливаться в пределах от 240 до 260°С. Более низкая температура пайки позволяет минимизировать термоудар по электронным компонентам. Более высокая температура до 260°С как правило устанавливается при пайке многослойных плат либо плат, имеющих проблемы с паяемостью.

Охлаждение ПУ после пайки рекомендуется осуществлять со скоростью от 2 до 5°С/сек с целью предотвращения теплового удара по компонентам и ПП.

5.9. Измерение технологических параметров

Для того чтобы добиться хороших результатов пайки, технологические параметры должны быть правильно отрегулированы, и их необходимо поддерживать на заданном уровне. И для регулировки, и для проверки необходимо измерение параметров. Для измерения реальной температуры на поверхности ПП, времени и ширины смачивания платы припоем используются устройства измерения температурных профилей,

например, Sensor Shuttle (Рис. 5.17).

Рис. 5.17. Результат измерения параметров процесса пайки волной

124

5.10. Пайка в инертной атмосфере

При практически полном отсутствии воздуха, т.е. в среде азота с очень низким содержанием кислорода, достигаются условия пайки, существенно отличающиеся от условий пайки в обычной атмосфере.

Пайка в инертной атмосфере обладает следующими важными преимуществами:

∙расширяется технологическое окно процесса;

∙уменьшение образования оксидных пленок, склонность к образованию перемычек припоя снижена;

∙за счет уменьшения окисления увеличивается поверхностное натяжение, в результате чего создаются условия для улучшения смачивания и растекания припоя;

∙снижение расхода материалов (уменьшение образования шлама), но необходимо принимать в расчет стоимость азота высокой чистоты;

∙возможность использования малоактивных флюсов.

Как правило, для подачи в установки пайки волной используется азот высокой чистоты с остаточным содержанием кислорода не более 5 ppm. Для получения газообразного азота такой чистоты используется сжиженный азот. Если трубопровод от испарителя до установки пайки волной проложен внутри здания и имеет длину не менее 50 м, необходимости в дополнительном нагреве азота нет.

Существует два типа установок пайки волной в среде азота: с изолирующим туннелем и азотным кожухом. Системы с изолирующим туннелем обеспечивают создание защитной атмосферы не только над ванной с припоем, но и над зоной предварительного нагрева (Рис. 5.18), что уменьшает степень окисления компонентов и контактных площадок в этой зоне.

Рис. 5.18. Изолирующий азотный туннель

Чистота азота в рабочей зоне установки зависит от расхода азота, размера платы, высоты установленных компонентов. С помощью изолирующего туннеля можно обеспечить остаточный уровень кислорода в рабочей зоне установки менее 50 ppm. При этом необходимо обеспечить расход азота не менее 25 м3/ч при давлении 6 атм.

Системы с азотным кожухом обеспечивают подачу азота только в зону над ванной с припоем. Азот подается через систему трубочек, расположенных перед турбулентной волной, между волнами и после ламинарной волны (Рис. 5.19).

125

снижено до 30-минутной операции раз в день, что существенно меньше. Таким образом, время полезной работы линии увеличивается на два часа в день. Кроме того, сокращение технического обслуживания обеспечивает большую гибкость.

Влияние на качество и анализ дефектов. Как объясняется в многочисленных публикациях, пайка в атмосфере азота видоизменяет два основных параметра, которые влияют на качество пайки волной:

∙азот уменьшает окисление, что приводит к снижению образования шлама и объема технического обслуживания;

∙азот увеличивает поверхностное натяжение, что повышает смачивание.

Так как шлам может приводить к образованию дефектов, а смачивание – показатель качества паяных соединений, ожидалось, что внедрение пайки в азоте повысит качество ПУ. С этим связано “расширенное окно технологического процесса”, о котором все говорят, когда речь заходит о пайке в среде азота. Процесс становится менее требовательным при пайке в азотной атмосфере, чем в воздушной. Окно технологического процесса может быть больше, но необходимо ли это, и имеет ли это эффект на надежность и уровень дефектов?

На Рис. 5.21 приведено число дефектов на миллион (ppm) до и после перехода на пайку в среде азота для конкретной “проблемной ПП”. С внедрением азота уровень дефектов снизился со 150 ppm до 60-70 ppm. Было достигнуто суммарное сокращение уровня дефектов порядка 55-60%. Уровень всех типов дефектов при пайке данного типа изделий снизился и, следовательно, можно говорить об общем преимуществе, которое должно распространиться и на другие типы ПУ.

5.11. Пайка бессвинцовыми припоями

Пайка волной – технологическая операция сборочно-монтажных работ, на которую переход на бессвинцовые припои окажет наиболее сильное воздействие. Каждому технологу придется рассматривать влияние перехода на бессвинцовые припои на существующий техпроцесс.

Некоторые примеры пайки волной бессвинцовыми припоями показали, что для технолога необходимо рассмотрение следующих вопросов: учащение возникновения перемычек припоя, отслаивание галтели, отслаивание контактной площадки или разрыв соединения, увеличение провисания ПП, размывание паяльной ванны, потенциальная опасность размывание медных проводников.

Требования к оборудованию. Паяльные ванны, волнообразователи и прочая оснастка, используемая при пайке волной традиционными припоями, не может применяться при пайке бессвинцовыми припоями. Это связано с тем, что из-за высокого содержания олова в припое будет наблюдаться разрушение материала (нержавеющей стали), см. Рис. 5.22.

127

информации и сужения выбора припоев. В Табл. 5.8 приведена оценка, выполненная SOLDERTEC, некоторых бессвинцовых припоев по различным параметрам по десятибалльной шкале (“1” – хорошо, “10” – плохо).

Выбор сплава Sn/Cu0,7 для пайки волной во многом объясняется его невысокой стоимостью и доступностью. Диаграмма состояния сплавов системы Sn-Cu показана на Рис. 5.24. В области предельно большого содержания олова имеется эвтектическая точка при 0,7 массовых процентах меди, что делает этот сплав совместимым с материалами, применяющимися при сборке в настоящее время. Кристаллизация до некоторой степени подобна эвтектическим системам Sn-Pb. И медь, и олово широко доступны, а то, что система двухкомпонентная, минимизирует вероятность образования фаз с низкой температурой плавления, которая выше для трехкомпонентных систем.

Рис. 5.24. Диаграмма состояний двойной системы Sn/Cu

129

5.12. Дефекты пайки и способы их устранения

130