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

проконтролирован в соответствии с требованиями таких стандартов качества, как ISO. Процесс безопасен для оператора, независим от оператора и прост в автоматизации.

Пайка оплавлением импульсным нагревом стержня накала (термода) – способ селективной пайки, при котором две предварительно офлюсованные, покрытые припоем детали нагреваются до температуры, достаточной для расплавления припоя, течения и затвердевания, формируя прочное электромеханическое соединение между деталями и припоем.

При подготовке к соединению термокомпрессией с помощью припоя должны быть предприняты следующие шаги:

1.На контактные площадки ПП методом трафаретной печати наносится паяльная паста и оплавляется.

2.ПП фиксируется, и на контактные площадки наносится флюс;

3.Гибкий шлейф располагается в фиксаторе, обеспечивающем совмещение обеих контактных поверхностей;

4.На шлейф помещается термод, прижимается и нагревается.

Операция соединения термокомпрессией с помощью припоя состоит из следующих стадий: предварительный нагрев, оплавление и охлаждение (см. Рис. 7.6), которые описаны ниже.

Давление

Температура

Контакт Нагрев Оплавление Охлаждение Разъединение Время

Рис. 7.6. Температурный профиль

7.3.1.1. Контакт

Стержень накала (термод) монтируется на соединительную головку посредством быстроразъемного соединения. Соединительная головка имеет точные и прочные линейные направляющие для стержня накала. Движение осуществляется при помощи пневмоцилиндров или электромотора. Внутренняя пружинная система создает точное усилие. Большинство паяных соединений, получаемых таким способом, требуют прижимного усилия менее 100 Н. Усилие должно быть откалибровано и установлено на соответствующий уровень для достижения правильного переноса тепловой энергии к паяному соединению. Соединительная головка должна быть точно отрегулирована так, чтобы обеспечить параллельность термода соединяемым поверхностям. Эти головки обладают модульной конструкцией и, следовательно, позволяют осуществлять различную компоновку.

После того, как подан стартовый сигнал, термод осторожно опускается до касания изделия. Момент касания определяется автоматически. Усилие постепенно увеличивается до достижения заданного значения. Когда достигается заданное значение, подается сигнал в блок питания, который начинает нагрев стержня накала.

152

оптимального управления процессом охлаждение осуществляется до определенной температуры. Эта температура устанавливается ниже температуры солидуса припоя. Следовательно, как только припой затвердевает, процесс завершен и соединение сформировано. Так как большинство соединений имеют относительно большой сток тепла, температура припоя ниже, чем измеренная температура стержня накала, даже при использовании принудительного воздушного охлаждения. Поэтому температура разъединения в большинстве случаев может быть установлена на 180°C, при этом вероятность того, что разъединение произойдет перед отвердеванием, сведена к нулю.

7.3.2. Конструкция соединения

7.3.2.1. Типы конструкции шлейфов

Тремя распространенными типами конструкции гибких шлейфов (см. Рис. 7.8), подсоединяемых методом термокомпрессии, являются следующие:

∙шлейфы с открытыми выводами;

∙шлейфы с односторонне-открытыми выводами;

∙шлейфы с окнами.

Рис. 7.8. Типы конструкции шлейфов

Гибкие шлейфы с открытыми выводами. В области выводов с таких шлейфов удален полиимид (каптон), оставляя проводники свободными от изоляции. Стержень накала непосредственно контактирует с проводниками и передает им тепло. Если контактные площадки ПП и основание стержня накала имеют надлежащие размеры, то данная конструкция будет наиболее устойчивой к избыточному количеству припоя на контактных площадках, когда припой может затекать на открытые места. В процессе также будет происходить смачивание припоем верхней поверхности проводников. При обращении со шлейфами должны быть предприняты меры предосторожности, так как проводники могут быть легко согнуты или повреждены. Вследствие прямого контакта стержня накала с выводами можно использовать относительно низкую температуру нагрева стержня накала и малую длительность процесса. Стержень накала будет загрязняться остатками флюса и потребует очистки. Модуль подачи каптона решает данную проблему.

Гибкие шлейфы с односторонне-открытыми выводами. В данной конструкции полиимид удаляется только с одной стороны. Тепло проводится от стержня накала сквозь цельный полиимидный слой на находящиеся под ним проводники. Толщина полиимида в области соединения не должна превышать 50 мкм для обеспечения интенсивной теплопередачи. Нагревание полиимида до температуры свыше 400-425°C может привести

кобгоранию полиимида и загрязнению стержня накала. Эта конструкция менее устойчива

кизбытку припоя на контактных площадках, потому что пространство для растекания избытков припоя мало. Гибкие шлейфы с односторонне-открытыми выводами лучше всего подходят в случае малого шага выводов. Возможно соединение термокомпрессией шлейфов с таким малым шагом выводов (расположенных в один или два ряда), как 200 мкм.

154

Гибкие шлейфы с окнами. В данной конструкции полиимидный материал удален с обеих сторон области соединения, но поддержка выводов обеспечивается остающимся полиимидом по бокам и также вдоль концевых частей выводов. Эта конструкция придает некоторую прочность сборке и снижает требования к аккуратности обращения. Так как проводники открыты, обеспечивается хорошая теплопередача и дополнительное пространство для растекания избытка припоя. Размеры стержня накала критичны, потому что он должен проходить в “окно” и обеспечивать возможность растекания расплавленного припоя.

7.3.2.2.Размеры проводников гибкого шлейфа и ПП

Видеале проводники гибких шлейфов должны быть уже, чем контактные площадки ПП. По мере того, как припой расплавляется, и соединяемые поверхности сжимаются, припой прижимается к поверхностям. Эта конструкция также позволит припою затечь на любую сторону проводника гибкого шлейфа и является менее чувствительной к количеству припоя на ПП, что позволяет избежать возникновения перемычек припоя.

Рис. 7.9. Соотношение размеров проводников шлейфа и контактных площадок ПП

Меньшая ширина проводника гибкого шлейфа будет способствовать совмещению соединяемых изделий. В большинстве случаев ширина контактных площадок ПП должна составлять 55% от шага выводов. Такая конструкция снижает риск короткого замыкания по причине неправильного совмещения. Оптимальная ширина проводника гибкого шлейфа около 45%.

7.3.2.3. Количество припоя

Повторяемость нанесения припоя критична для достижения хорошей управляемости процессом. Во многих случаях для определения идеального количества припоя может потребоваться эксперимент. Обычная операция нанесения пасты через трафарет под ПМИ может использоваться и в данном случае. Хорошей отправной точкой является применение трафарета толщиной 125 мкм с размерами отверстий в 40% контактной площадки (см. Рис. 7.10, а, б).

а)

б)

в)

г)

Рис. 7.10. Отверстия в трафарете (а, б); форма припоя (в – до оплавления, г – после)

Количество припоя, которое необходимо нанести на контактные площадки ПП, зависит от нескольких факторов. Размеры контактной площадки и шаг определяют максимальное и минимальное количество припоя, которое может быть нанесено методом

155

трафаретной печати. Малые контактные площадки и шаг выводов требуют меньше припоя, предотвращая возникновение перемычек припоя. Средняя высота припоя после оплавления должна быть от 10 мкм для минимального шага до 50 мкм для максимального шага.

Конструкция шлейфа также влияет на необходимый объем припоя. Шлейфы с окнами и с открытыми выводами позволяют использовать несколько большее количество припоя по сравнению с односторонне-открытыми шлейфами.

7.3.2.4. Сток теплоты

Пайка оплавлением стержнем накала – метод селективной пайки. Это означает, что будет нагрета только часть ПП, а не вся плата (что имеет место при пайке в печах оплавления). Это означает, что распространение тепла от области соединения до большой и относительно холодной ПП крайне важно.

Перепад стока теплоты от одного вывода к другому – наиболее распространенная ошибка конструирования. Небольшие различия произведут минимальный эффект, но любое большое изменение тепловой массы или теплопроводности вдоль области соединения приведет к непостоянству температуры выводов (припоя) и качества паяных соединений. Тепло от стержня накала распространится на 3-5 мм во всех направлениях по поверхности ПП и сквозь ПП. Различия стока тепла в пределах этих 3-5 мм важны, дальше

– нет.

Тепло может быть легко отведено от области соединения к массивным контактным площадкам, если они расположены слишком близко к области соединения (см. Рис. 7.11, “А”). Токоведущие дорожки увеличенной ширины и металлизированные сквозные отверстия отбирают большое количество тепла от области соединения (см. “B”). Токоведущие дорожки с уменьшенной шириной играют роль теплового порога и предотвращают сток тепла с контактной площадки (см. “C”). Тонкие токоведущие дорожки одинакового размера выполняют функцию теплового порога и обеспечивают равномерное нагревание от края до края области соединения (см. “E”). Дорожки, отходящие от контактных площадок, должны быть одинаковой, минимально возможной ширины. Для многослойных ПП следует ограничивать ширину дорожек под областью соединения до минимального значения и равномерно распределять их под контактными площадками ПП.

D

Рис. 7.11. Правильная и неправильная конструкция токоведущих дорожек

7.4. Дефекты

156

Табл. 7.1. Дефекты соединения термокомпрессией с помощью припоя и причины их возникновения

7.5. Литература

1.Anisotropic conductive adhesive bonding

2.Chapter C: Conductive Polymers. Level 1: Introduction

3.Pulsed-heat hot-bar reflow soldering. A high-quality selective soldering technique

157

8. Отмывка

8.1. Причины, приводящие к необходимости отмывки

8.1.1. Высокая температура

Чистая специально обработанная канифоль и искусственные смолы примерно до температуры 100°С являются хорошими изоляторами. Если происходит повышение температуры свыше 100°С, канифоль сначала размягчается, а затем плавится и диссоциирует с образованием карбоксильных ионов. В результате возникающей ионизации изменяются электрические свойства, канифоль становится проводником. Таким образом, возникает опасность возникновения повышенных токов утечки и коротких замыканий.

8.1.2. Повышенная влажность

Понижение поверхностного сопротивления особенно проблематично в современных условиях развития электроники. Малые токи утечки (10-12А) иногда оказывают существенное влияние на нарушение работы элементов логики. Токи утечки могут возникать за счет присутствия ионных компонентов. Однако даже канифольные остатки флюса могут стать проводником при наличии тонкого слоя влаги. Влага в сочетании с диоксидом углерода, адсорбированным из воздуха, формируют на поверхности канифоли карбоновую кислоту, которая сильно диссоциирует. Наличие влаги может способствовать также и росту дендритов. Дендриты – металлические кристаллы, растущие между проводниками и контактами по электролитическому механизму. Скорость роста дендритов до 0,1 мм/мин.

Рис. 8.1. Дендрит, вызывающий короткое замыкание

8.1.3. Влагозащитные покрытия

Для предохранения от воздействия влаги и агрессивных сред печатные узлы часто покрываются влагозащитными покрытиями. При этом особое внимание следует уделить совместимости влагозащитных материалов с остатками флюсов. Если остатки флюса несовместимы с влагозащитным покрытием, возможно ухудшение адгезии, отшелушивание и отслаивание влагозащитных покрытий.

8.1.4. Внешний вид изделия

Как правило, флюсы, не требующие отмывки, оставляют малозаметные остатки, незначительно ухудшающие внешний вид печатного узла, тем не менее, в ряде случаев остатки флюсов приходится удалять по требованию заказчиков в косметических целях.

8.1.5. Внутрисхемный контроль

Неудаленные остатки флюса могут покрывать тестовые площадки. Так как канифоль при комнатной температуре является хорошим изолятором, тестовые точки

158

могут иметь очень высокое сопротивление контактов, препятствуя проведению внутрисхемного контроля.

8.1.6. Ручная пайка

Отечественные производители достаточно часто применяют жидкие "безотмывочные" флюсы, для ручной пайки полагая, что их остатки не требуют удаления. Однако большинство жидких флюсов, не требующих отмывки, специально разработаны для машинной пайки волной припоя. Только этот способ пайки обеспечивает полное выгорание и разложение активаторов флюсов, не требуя обязательного удаления остатков после пайки. Необходимость удаления остатков жидких флюсов при ручной пайке вызвана частичным выгоранием активаторов.

Активаторы, входящие в состав флюса, содержат ионные соединения (соли и кислоты), которые в свою очередь могут вступать в реакцию с влагой, влияя на уменьшение поверхностного сопротивления. Несмотря на то, что остатки флюсов очень редко приводят к отказам в процессе работы, последствия коррозии могут быть очень серьезными. Наиболее распространенный механизм коррозии - электролитический. Механизм образования электролитической коррозии приведен на Рис. 8.2 и Рис. 8.3. В данном случае вовсе необязательно приложение внешнего напряжения, при контакте двух разнородных металлов с разными потенциалами, например, медный проводник (+0,34В), покрытый олово-свинцовым покрытием (-0,14В). Так при наличии влаги и небольшого количества ионных компонентов возникает напряжение короткого замыкания и начинает протекать ток (см. Рис. 8.3).

Рис. 8.2. Электролитическая коррозия между смежными проводниками при наличии электролитического поля и водной пленки

Рис. 8.3. Электролитическая коррозия разнородных материалов проводников с разными потенциалами

8.2. Основные типы загрязнений

Не удаленные загрязнения на поверхности ПУ могут оказывать существенное влияние на различные параметры. Ниже в Табл. 8.1 приведен перечень основных типов загрязнений ПУ после сборки и отмывки.

Водорастворимые соединения

159

Продукты реакции флюсов

Компоненты паяльных масок

Водонерастрворимые соединения

Табл. 8.1. Основные типы загрязнений

8.3. Описание технологической операции

8.3.1. Процесс отмывки

Отмывка проводится в промывочной жидкости. Время процесса и температура промывочной жидкости может варьироваться в зависимости от способа отмывки и применяемого оборудования.

Во время процесса отмывки остатки флюсов, соли гальванических и травильных растворов, отпечатки пальцев и другие загрязнения вымываются и растворяются в промывочной жидкости.

Для повышения качества отмывки ее можно производить с использованием ультразвука как непосредственно на этапе отмывки, так и на этапе ополаскивания, это способствует не только лучшему удалению остатков флюса, но и удалению механических частиц (шарики припоя).

8.3.2. Процесс ополаскивания

Ополаскивание рекомендуется проводить минимум в два этапа:

∙Предварительное ополаскивание при комнатной температуре (25°С) должно обеспечить удаление остатков промывочной жидкости и загрязнений, вынесенных из ванны отмывки вместе с ПУ.

∙Финишное ополаскивание рекомендуется проводить в воде с максимальной степенью очистки, чтобы избежать повторного загрязнения ПУ. Рекомендуемая температура финишного ополаскивания 40-50°С позволяет уменьшить поверхностное натяжение воды и повысить растворимость ионных компонентов. Температура ополаскивания выше 50°С не рекомендуется, так как органические остатки хуже растворяются при высоких температурах.

8.3.3. Операция сушки

После водных процессов отмывки сушку рекомендуется производить обдувом струей холодного или горячего воздуха. Обдув горячим воздухом при температуре 7090°С позволяет значительно сократить время сушки. Операции сушки следует уделять достаточное внимание, чтобы обеспечить эффективное удаление воды из-под корпусов компонентов и переходных отверстий. Статическая сушка (в термошкафах или печах) может оказаться неэффективной, так как в случае неполного удаления ионных загрязнения на стадии ополаскивания они выпадают в осадок в виде белого налета при испарении воды. В свою очередь обдув струей воздуха под высоким давлением позволяет сдуть остатки влаги вместе с растворенными в ней ионными загрязнениями.

Контроль качества сушки можно осуществить очень простым способом: сразу после сушки (струей горячего воздуха) горячий ПУ плотно завернуть в пищевую

160