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

oдля бессвинцового припоя 300 – 310°С.

∙Скорость протягивания, типичные значения 10 – 25 мм/сек.

∙Угол наклона, типичное значение 10°.

∙Скорость вращения двигателя, в зависимости от выбранной форсунки. Необходимо правильно выбирать диаметр форсунки в зависимости от соединений,

подлежащих пайке.

В обоих случаях высота волны всегда должна быть постоянной. Для этого установка селективной пайки должна обеспечивать:

∙периодический контроль уровня припоя в тигле и автоматическую загрузку припоя для обеспечения постоянного уровня;

∙измерение высоты волны (при пайке микроволной) и поддержание заданных параметров двигателя волнообразователя.

6.5. Управление внешним видом паяного соединения

Известно, что избыток припоя в паяном соединении снижает его надежность. Поэтому предпочтительной является вогнутая форма паяных соединений. С помощью современных установок селективной пайки появилась возможность управлять внешним видом каждого паяного соединения. Рассмотрим подробнее, какие факторы влияют на количество припоя, остающееся в паяном соединении.

Основными движущими силами, влияющими на образования паяных соединений, являются смачиваемость и капиллярность, благодаря которым припой затекает в зазор между выводом и стенками монтажного отверстия и удерживается там. В этом нет ничего нового. И смачиваемость, и капиллярность зависят от поверхностного натяжения припоя.

За количество припоя, которое останется в паяном соединении, отвечает распределение сил, действующих при отрыве припоя от соединения. Вверх действуют сила капиллярности (Fk) и сила смачивания припоем вывода компонента и стенок и контактных площадок монтажного отверстия (Fc), вниз – сила тяжести (Fg) и сила смачивания припоем форсунки (Fф) (см. рис. 5.1).

Рис. 5.1 Распределение сил при отрыве припоя от соединения

Уменьшения количества припоя в паяном соединении можно добиться, уменьшив силу капиллярности и силу смачивания или увеличив силу смачивания припоем форсунки. Силу капиллярности и силу смачивания можно уменьшить за счет изменения конструкции ПУ. Силу капиллярности можно уменьшить, увеличив диаметр монтажного отверстия. Однако обычно диаметр монтажного отверстия – величина, не подлежащая изменению. Силу смачивания можно уменьшить за счет:

∙уменьшения размеров контактных площадок;

∙уменьшения длины выводов.

142

Силу стягивания можно увеличить, применив, как отмечалось выше, форсунки, смачивающиеся припоем.

Если же в дополнение к конструктивным способам влияния изменить направление течения припоя в момент отрыва, можно в еще большей степени влиять на форму паяного соединения. Современные установки селективной пайки, например установка фирмы ERSA Versaflow, позволяют программно регулировать момент и продолжительность включения обратного течения припоя. Таким образом можно независимо регулировать форму каждого паяного соединения (см. рис. 5.2, 5.3 и 5.4).

Рис. 5.2 Внешний вид паяного соединения в условиях обычного отрыва

Рис. 5.3 Внешний вид паяного соединения при обратном включении течения припоя

Рис. 5.4 Управление внешним видом каждого паяного соединения

143

6.6. Правила конструирования ПУ для селективной пайки

Требования к конструкции ПУ зависят от применяемой технологии селективной пайки и оборудования. Но существуют базовые правила конструирования, которые необходимо выполнять для успешного применения технологии селективной пайки:

∙Длина выводов, подлежащих пайке. В общем случае длина выводов должна находиться в пределах 0,8-2 мм. Длина выводов более 2 мм, как правило, не допускается.

∙Размеры контактных площадок. При конструировании необходимо максимально уменьшать размеры контактных площадок.

∙Расстояние между контактными площадками. Минимально допустимое расстояние между контактными площадками составляет 0,4-0,6 мм

∙Расстояние до соседних компонентов, не подлежащих пайке. Это расстояние зависит от применяемого волнообразователя. Обычно оно лежит в пределах 1-4 мм.

∙Шаг выводов компонентов, подлежащих пайке. Зависит от технологии селективной пайки. Для пайки со специальным волнообразователем шаг выводов не должен быть меньше 2,54 мм. Для пайки микроволной – не меньше 1,2 мм.

∙Не следует размещать контактные площадки на элементах платы, характеризующихся высокой теплопроводностью.

Более 80% дефектов селективной пайки – это перемычки припоя. От правильного выбора вышеуказанных параметров в значительной степени зависит количество дефектов

(см. рис. 6.1).

Длинные

выводы

Рис. 6.1 Селективная пайка не прощает ошибок конструкторов

6.7. Литература

1.J. Friedrich. Selektivlöten - die heutige Praxis.

2.G. Diepstraten Robotic Selective Soldering, an Enabling Soldering Technique.

3.G. Diepstraten, Auf den Prozess kommt es an.

144

7. Термокомпрессия

7.1.Описание технологической операции и технологические параметры

Соединение с помощью токопроводящих клеев – технология, главным образом использующая для присоединения дисплеев к ПП посредством гибких шлейфов. С помощью этой технологии можно обеспечивать соединения с платой любых поверхностно-монтируемых компонентов. Принцип данной технологии заключается в следующем (Рис. 7.1). Между компонентом и ПП помещается клей в форме пленки или пасты. Паста может наноситься методом трафаретной печати или дозированием. Для нанесения клея методом трафаретной печати, как правило, используются трафареты толщиной 0,1-0,15 мм.

Процесс установки компонента аналогичен установке компонентов при применении паяльных паст. Повышенные требования к точности установки предъявляются для компонентов с шагом менее 1,27 мм.

Нагревательный элемент (обычно называемый термодом), нагретый до температуры 150-180°C, прижимает подсоединяемый компонент к ПП на 10-30 сек. Проводящие частицы клея образуют электрическое соединение.

Монтаж обычных

Полимеризация клея компонентов стандартными

методами

Рис. 7.1. Технология создания соединений методом термокомпрессии

Так как давление прикладывается только по вертикали, электрическое соединение будет образовано только в этом направлении. Вследствие низкого содержания наполнителя (1-5%) короткое замыкание между соседними соединениями не может иметь место.

7.2.Анизотропные и изотропные клеи для соединения материалов методом термокомпрессии

7.2.1. Общая характеристика

Токопроводящие клеи значительно отличаются от припоев. Эти отличия создают целый ряд преимуществ, которые приведены ниже. Не каждый клей обладает данными характеристиками, но токопроводящие клеи потенциально могут иметь все эти достоинства в одном материале.

Преимущества токопроводящих клеев:

∙совместимость с большим спектром поверхностей, включая непригодные к пайке;

145

∙низкая температура обработки;

∙низкая термомеханическая усталость, высокая стойкость к термоциклированию;

∙низкое содержание или полное отсутствие летучих органических соединений;

∙нет остатков, высокое поверхностное сопротивление изоляции;

∙сниженные требования к предварительной и последующей очистке, нет очищающих средств и оборудования для отмывки;

∙отсутствие свинца и других токсичных металлов;

∙широкое технологическое окно процесса, простое управление техпроцессом;

∙возможность применения для компонентов с меньшим шагом выводов;

∙не требуется паяльная маска.

Ограничения:

∙меньшая механическая прочность;

∙отсутствие самовыравнивания компонентов;

∙использование некоторых клеев требует наличия специальных покрытий на компонентах и ПП;

∙более высокое электрическое сопротивление;

∙более высокое тепловое сопротивление;

∙более высокая сложность ремонта.

Наиболее распространенные токопроводящие клеи – термореактивные эпоксидные клеи с серебряным наполнителем, которые обычно выпускаются в виде тиксотропных паст. Они используются для электрического соединения и механического крепления компонентов к ПП. Для активации катализатора или сореагента отвердителя наиболее часто используется нагрев, под действием которого паста преобразуется в прочное электропроводящее твердое вещество. Вещества, которые одинаково проводят во всех направлениях, относятся к изотропным токопроводящим клеям. Эти термореактивные токопроводящие клеи с металлическим наполнителем многие десятилетия использовались в качестве материалов для присоединения кристаллов и до сих пор являются наиболее широко применяемыми материалами при корпусирования интегральных микросхем. Термореактивные клеи с металлическим наполнителем стали использоваться для монтажа компонентов сравнительно недавно. Новые материалы на основе полимеров используются сейчас для замены металлургических припоев, особенно при сборке ПУ по технологии поверхностного монтажа.

Также было разработано несколько других типов клеев. Термопластичные клеи с серебряным наполнителем выпускаются как в виде пасты, так и пленок. Пленки нашли использование в основном в качестве клеев для крепления кристаллов. Термопластичные пасты изготовляются путем растворения полимерных смол в растворителях и последующего добавления проводящих наполнителей. Некоторые коммерчески доступные термопластичные токопроводящие пасты могут использоваться в качестве клеев для монтирования компонентов, но они не так хорошо подходят для этих целей, как термореактивные.

Анизотропные токопроводящие клеи представляют другой большой класс полимерных клеящих веществ. Как следует из названия, анизотропные клеи обеспечивают однонаправленную проводимость в вертикальном направлении (по оси Z), см. Рис. 7.2.

Компонент

Печатная плата

Рис. 7.2. Однонаправленная проводимость клея

146

Направленная проводимость достигается благодаря использованию относительно малой объемной доли проводящего наполнителя. Низкая объемная доля проводящего наполнителя, будучи несущественной для обеспечения контакта между частицами, предотвращает проводимость в горизонтальном направлении. Клей, проводящий в направлении оси Z, в форме пленки или пасты наносится между поверхностями, подлежащими соединению. Приложение давления и нагревание приводит к тому, что проводящие частицы смещаются в область между противоположными проводниками склеиваемых объектов. Как только создается целостность цепи, диэлектрическое полимерное связующее вещество отверждается термоиницированной химической реакцией (термореактивные клеи) или охлаждением (термопластичные клеи). Отвержденный диэлектрический полимер скрепляет собранное изделие и помогает поддерживать электрический контакт между проводниками и проводящими частицами. Анизотропные токопроводящие клеи в настоящее время используются для монтажа дисплеев с плоским экраном, ИС на ленте-носителе (TAB) и ПМИ с малым шагом выводов.

7.2.2. Типы полимеров

Выше были кратко описаны основные типы полимеров: термореактивные и термопластичные. Рассмотрим их особенности и области применения более подробно.

7.2.2.1. Термопласты

Термопластичные связующие вещества – т.е. полимеры, которые уже полимеризованы – не нашли такого широкого распространения при сборке ПУ, как термореактивные изотропные проводящие клеи. Одна из проблем заключается в том, что используемые термопластичные полимеры – твердые вещества, которые должны быть либо расплавлены, либо растворены перед использованием. Очень ограниченное применение изотропные термопластичные полимеры нашли при сборке калькуляторов. Технологические сложности существенно ограничили их область применения.

В анизотропных токопроводящих клеях используются термопластичные связующие вещества, так как они не требуют выборочного нанесения. Большинство анизотропных клеев поставляются в виде пленки. Материал сначала наносится на ПП (и иногда на компонент). Так как электропроводность возникает только в направлении по оси Z, где прижимаются противоположные проводники, пленка может быть нанесена на всю поверхность ПП. Монтаж осуществляется путем прижима компонентов к покрытым клеем контактным площадкам. При этом производится нагрев. Термопластичное связующее вещество размягчается и образует соединение с поверхностями. Термопластичные материалы могут быть также смешаны с термореактивными полимерами для расширения области применения. Необходимо акцентировать внимание на том, что термопластичные материалы могут быть переплавлены. Они, в отличие от термореактивных, не видоизменяются во время нагрева при сборке. Также они отлично хранятся и не требуют хранения в холодильнике, как однокомпонентные термореактивные материалы.

7.2.2.2. Термореактивы

Термореактивные полимеры полностью оправдывают свое название. Нагрев “активирует” их и навсегда изменяет свойства. Большинство термореактивных систем, особенно пасты, используемые в изотропных токопроводящих клеях, – исходные вещества для полимеризации. Эпоксидные клеи, как правило, состоят из низкомолекулярной жидкости с реакционно-способными эпоксидными группами и сореагирующим отвердителем. Подвод тепла приводит к протеканию химической реакции между двумя компонентами с образованием высокомолекулярных полимеров сетчатой структуры. Узлы полимерной сетки, или химические связи между смежными

147

полимерными цепями, обеспечивают термореактивные характеристики устойчивости формы при нагревании. Термопластичные материалы состоят из полимерных цепей, которые являются независимыми (несвязанными). Нагрев позволяет отдельным цепям перемещаться относительно друг друга и менять форму. Повторное тепловое воздействие вновь размягчает термопластичные материалы, делая их до некоторой степени аналогами припоя. Трехмерная узловая сетка термореактивных полимеров предотвращает движение цепей.

Термореактивные клеи поставляются однокомпонентными и несмешанными двухкомпонентными, которые отличаются очень высокой стабильностью. Однако перед их использованием необходимо смешивать компоненты. При этом часто происходит попадание в клей воздуха, представляющее серьезную проблему. Помимо этого пользователь может не иметь подходящего оборудования для проведения качественного смешивания. И пользователи, и производители предпочитают однокомпонентные системы. Главный недостаток однокомпонентных систем в том, что смешанные системы имеют ограниченный срок хранения и подлежат хранению в холодильнике. При этом снижается скорость полимеризации до уровня, при котором хранение может быть продлено до шести месяцев и более. Несмотря на то, что возможно производство систем, стабильных при комнатной температуре, для их отверждения требуется более высокая температура и более продолжительное время. Однако совершенствование катализаторов, сокращение времени отверждения и увеличение срока годности при хранении продолжается. В настоящее время некоторые клеи имеют срок годности до шести дней при комнатной температуре и быстро отверждаются (за 3-6 минут) даже при столь низкой температуре как 130-150°C.

7.2.2.3. Наполнители

Серебро – самый распространенный токопроводящий наполнитель, хотя золото, никель, медь и графит тоже используются. Также применяются проводники с металлическим покрытием, главным образом для анизотропных клеев. Серебро уникально среди всех металлов, применение которых экономически целесообразно, благодаря природе образуемых им оксидов, которые обладают свойством электропроводности. Оксиды наиболее распространенных металлов хорошие электрические изоляторы, и порошкообразная медь, например, становится плохим проводником после окисления. Клеи с никелевым и медным наполнителем не отличаются высокой стабильностью. Даже при наличии добавок, препятствующих окислению, материалы на основе меди будут иметь существенное, увеличивающееся удельное сопротивление, особенно при высокой влажности окружающей среды. Медь, покрытая серебром, нашла коммерческое применение в токопроводящих красках, и этот тип наполнителя должен также хорошо сработать в клеях. Хотя композиционные материалы, содержащие частицы из чистого серебра, часто показывают более высокую проводимость при тепловом старении, когда подвергаются воздействию температуры и влажности, и при термоциклировании, это не всегда имеет место для металлических частиц с серебряным покрытием. По-видимому, тепловое и механическое воздействие приводит к образованию более тесного контакта, но серебряное покрытие медных частиц может иметь нарушения целостности, которые приведут к окислению меди.

Наполнители для анизотропных токопроводящих клеев часто значительно отличаются от тех, которые используются для изотропных клеев. Хотя применяются как жесткие, так и мягкие проводящие частицы, в большинстве систем используются упругие частицы, которые деформируются и действуют как маленькие “пружинки”. Наиболее распространенный тип – частицы с пластиковым ядром, покрытым хорошим проводником, таким как золото или серебро. Наиболее популярны полимерные шарики, покрытые никелем, а затем чистым золотом.

148

7.2.3. Основные типы токопроводящих клеев

7.2.3.1. Собственно-проводящие полимеры

Хотя полимеры – естественные электрические изоляторы, особые молекулярные структуры могут влиять на проводимость. Электроноплотные кратные двойные и тройные химические связи, как правило, используются в структуре собственно-проводящих полимеров. Однако данная структура с кратными связями приводит к образованию неупругих нерастворимых полимеров, которые сложны в использовании. Кратные связи – сочлененные кольцевые структуры, имеющиеся во всех распространенных собственнопроводящих полимеров – имеют тенденцию к окислению. Нестабильность в воздушной среде, хрупкость и сложность нанесения сужают сегодняшнюю область применения собственно-проводящих полимеров до преимущественно лабораторного использования, но есть надежда, что новые проводящие структуры когда-нибудь позволят создать материалы, пригодные для промышленного применения. Термопластичный полимер с высокой проводимостью может стать предпочтительным связующим материалом в будущем. Но в настоящее время приемлемы только клеи с проводящим наполнителем.

7.2.3.2. Изотропные токопроводящие клеи

Изотропные клеи существовали долгие годы в форме паст, наносимых методами трафаретной печати, дозирования, переноса штырем и другими менее распространенными способами. Полимерные связующие вещества включают в себя природные смолы, сложные полиэфиры, уретаны, полиамиды, винилы, фенольные полимеры, акриловые смолы, эпоксидные смолы и многие другие полимеры с приемлемыми свойствами. Эпоксидные смолы отчетливо доминируют и, вероятно, сохранят свое положение благодаря сочетанию хороших характеристик, широкой доступности, умеренной цены и относительной безопасности при использовании.

Изотропные клеи должны наноситься только туда, где это необходимо, так как они проводят во всех направлениях как припои. Необходимость выборочного нанесения изотропных клеев делает их реологию очень важной. Большинство материалов – тиксотропные пасты с вязкостью, лежащей в пределах от 100000 до 500000 сП и выше. Тиксотропная природа большинства таких клеев – обратимое снижение вязкости при приложении усилия сдвига – позволяет наносить эти вязкие пасты через трафарет без растекания и осадки. Тиксотропный индекс, отношение вязкости при малом и большом коэффициенте сдвига, – распространенная мера тиксотропности. Все общие методы, используемые для паяльной пасты, хороши и даже дают лучшие результаты для изотропных клеев. Класс изотропных полимеров должен рассматриваться в качестве полимерной альтернативы паяльной пасты.

7.2.3.3. Анизотропные токопроводящие клеи

Токопроводящие клеи с шаблонным расположением проводников.

Ограниченное число производителей начинает поставлять токопроводящие клеи с шаблонным расположением проводников. Проводники располагаются в соответствии с повторяющимся шаблоном, например, с расстоянием между центрами проводников 1,5 мм. Распространение множества типов корпусов для поверхностного монтажа сделало непрактичным производство шаблонов под все эти корпуса. Появление корпусов с матричным расположением выводов, таких как BGA, теперь делает возможным производить ограниченное количество стандартных шаблонов, которые соответствуют практически всем распространенным BGA. Сегодня существует только несколько распространенных шагов выводов: 0,5 (μBGA), 1,0, 1,5 и 1,75 мм. Пленки анизотропных токопроводящих клеев с шаблонным расположением проводников с вышеуказанным шагом могут быть вырублены под размеры любого корпуса.

149

В такой форме выпускаются термореактивные, термопластичные и смешанные системы. Некоторые компании предлагают заказные шаблоны, которые соответствуют размерам кристалла и корпуса.

Хотя еще слишком рано утверждать, что анизотропные токопроводящие клеи с шаблонным расположением проводников обеспечат превосходные рабочие характеристики, существует несколько потенциальных преимуществ по сравнению с материалами со случайным расположением проводников. В последних изолированные проводящие частицы располагаются между токоведущими дорожками, что может привести к ухудшению сигналов. От материалов с шаблонным расположением проводников следует ожидать меньшее сопротивление соединения, так как между соединяемыми поверхностями будет больше проводящих частиц. Среди недостатков – необходимость совмещения пленки с компонентом, что приводит к дополнительной операции.

Токопроводящие клеи со случайным расположением проводников.

Большинство анизотропных проводящих клеев получается случайным рассеиванием проводящих частиц в полимерном клее. Простота производственного процесса, по существу заключающегося лишь в смешивании проводящих частиц с полимерным связующим веществом, объясняет широкую доступность материала. Несмотря на то, что используется большое количество полимерных систем, применяется сравнительно мало типов проводящих наполнителей. В большинстве материалов используются частицы малых размеров (0,00048-0,0032 мм) из чистого металла или полимерные шарики с металлическим покрытием.

Большинство поставщиков предлагают клеи в виде пленки, тогда как только некоторые поставляют пасту.

Рис. 7.3. Анизотропный токопроводящий клей в форме пленки, отслоенной от ленты-носителя. Ширина пленки примерно 2 мм

7.3. Соединение термокомпрессией с помощью припоя

Пайка импульсным нагревом отличается от традиционного способа пайки тем, что оплавление припоя производится при помощи нагревательного элемента, называемого термодом, который нагревается и охлаждается при создании каждого соединения. Давление прилагается во время всего цикла, включая нагрев, оплавление и охлаждение. Эта технология наиболее широко используется для подсоединения гибких шлейфов к ПП

(см. Рис. 7.4).

150