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

∙Визуально

∙Тестовая бумага с хроматом серебра (меняет цвет с коричневого на белый) Методы решения:

∙Использовать менее активные флюсы

∙Обеспечить полное удаление остатков флюса с помощью эффективных промывочных жидкостей сразу же после пайки

8.8.4. Отсутствие совместимости материалов паяльной маски с флюсом

или моющим раствором

Проявляется:

∙В виде неудаляемого в процессе отмывки белого налета на поверхности паяльной маски

Возможные причины:

∙При неполной полимеризации паяльной маски частицы оксида алюминия, входящие в состав паяльной маски (для изменения реологических свойств), взаимодействуют с флюсом или моющим раствором

Методы обнаружения и индикации:

∙Наклеить кусочки термоскотча на произвольные участки печатной платы, произвести пайку, удалить скотч, произвести отмывку. В местах, защищенных скотчем, эффект наблюдаться не будет.

Методы решения:

∙Использовать качественные паяльные маски

∙Обеспечить полное термодубление паяльной маски при изготовлении печатных плат

∙Произвести обдув поверхности ПУ горячим воздухом с помощью термофена при температуре 150оС

8.8.5. Частичное или полное удаление наклеек, штрих-кода

Метод решения:

∙ Взаимодействие с производителями наклеек

8.9. Методы определения качества отмывки

Контроль чистоты поверхности имеет следующие области применения:

a.При производстве печатных плат

∙Производство внутренних слоев многослойных печатных плат

∙После нанесения паяльной маски

∙После горячего лужения

b.При сборке печатных узлов:

∙Входной контроль печатных плат

∙Оптимизация процесса отмывки

∙Оптимизация нанесения безотмывочных флюсов

∙Тестирование чистоты отдельных компонентов

8.9.1. Визуальный контроль

Визуальный контроль позволяет обнаружить механические частицы, соли и продукты коррозионных процессов, остатки флюса, шарики припоя и «белый налет». Для визуального контроля качества отмывки рекомендуется использовать визуальные системы с увеличением не менее 30х.

Визуальный метод контроля является самым простым, однако позволяет получить только субъективную оценку качества отмывки по наиболее опасным загрязнениям.

171

8.9.2.Контроль ионных загрязнений

Впроцессе производства печатных узлов (ПУ), включающего сборку и транспортировку печатных плат между технологическими операциями, на поверхности печатных узлов появляются различные ионные загрязнения. Эти загрязнения в процессе эксплуатации приводят к отказам, вызванным образованием коррозионных участков, повышенными токами утечки и короткими замыканиями. Для оценки чистоты поверхности печатных узлов применяются тестеры ионного загрязнения. Полученные с помощью таких тестеров данные позволяют оптимизировать технологический процесс.

Внастоящее время существует два подхода при производстве ПУ: с использованием флюсов требующих и не требующих отмывки. Все флюсы содержат ионные компоненты, присутствие которых на ПУ может приводить к отказам и разрушению ПУ.

Возможные последствия ионного загрязнения:

∙Появление токов утечки между проводниками

∙Активаторы, входящие в состав флюса, при наличии влаги вызывают уменьшение поверхностного сопротивления изоляции

∙Коррозионное разрушение

∙Рост дендритов между проводниками, приводящий к короткому замыканию

∙Большое количество ионных загрязнений (остатки флюса) приводит к отслаиванию влагозащитных покрытий

8.9.2.1. Принцип оценки ионного загрязнения

Для оценки ионного загрязнения применяется следующая технология: ПУ помещается в емкость с раствором изопропилового спирта и деионизованной воды (соотношение 75 / 25%). Рабочая жидкость многократно пропускается через емкость с образцом, вследствие чего происходит растворение ионосодержащих загрязнений и диссоциация их на ионы. В результате этого меняется проводимость рабочей жидкости, которая измеряется и пересчитывается в эквивалентную массу NaCl в миллиграммах на площадь ПУ. Необходимость пересчета в ионы NaCl обусловлена тем, что проводимость для раствора NaCl линейно зависит от количества ионов, что упрощает калибровку оборудования.

Существует два подхода к оценке ионного загрязнения: динамический метод и статический метод.

8.9.2.1.1.Динамический метод

Измерительная система состоит из одного контура. Ионизованная рабочая жидкость из испытательной области попадает в блок измерения проводимости, далее деионизуется в блоке очистки и попадает опять в испытательную область. Проводимость измеряется в каждом цикле, затем вычисляется суммарное значение проводимости за все циклы. Измерения прекращаются, когда прекращается изменение проводимости рабочей жидкости. Преимущества метода:

Использование постоянной деионизации рабочей жидкости в процессе тестирования позволяет:

∙Проводить высокоточные измерения для плохо растворимых и слабо ионизованных загрязнений

∙Исключить влияние СО2, содержащегося в воздухе, на результат измерения

∙Проводить новое измерение сразу после извлечения ПУ

8.9.2.1.2.Статический метод

Измерительная система состоит из 2-х независимых замкнутых контуров: испытательного и очищающего. В испытательном контуре рабочая жидкость из

172

испытательной области попадает в блок измерения проводимости и возвращается в испытательную область. В очищающем контуре рабочая жидкость из испытательной области попадает в блок очистки и возвращается в испытательную область. На испытательную область единовременно может быть замкнут только один из контуров. В начале измерений включен очищающий контур, рабочая жидкость при этом деионизуется. Изделие помещается в испытательную область и задействуется испытательный контур, измеряется проводимость рабочей жидкости. Измерения прекращаются, когда проводимость перестает расти. Далее происходит переключение контуров, жидкость после деионизации готова к следующему использованию.

Преимущества метода:

∙Скорость измерения выше, чем при использовании динамического метода

∙Хорошо подходит для тестирования крупногабаритных изделий

8.9.3. Оценка поверхностного сопротивления изоляции (SIR-тест)

Порядок проведения испытаний поверхностного сопротивления изоляции подробно рассмотрен в стандарте IPC-TM-650 (метод 2.5.27). Рекомендуемые параметры процесса испытаний: температура 85°С, относительная влажность 85%, время испытаний 168 часов, измерения проводятся через 24, 94 и 168 часов, тестовое напряжение 100В. Высокая температура повышает подвижность ионных компонентов, а влажность способствует адсорбции влаги на поверхности ПУ.

Поверхностное сопротивление изоляции обычно измеряется с применением тестовых рисунков, например IPC-B-25 (см. Рис. 8.9), выполненных на стандартных печатных платах. В соответствии с требованиями стандарта IPC-CH-65 измерения поверхностного сопротивления изоляции могут проводиться с применением тестеров серии Sirometer и ряда других.

Рис. 8.9. Пример тестового рисунка

8.9.4. Оценка электромиграции

Оценка электромиграции производится с применением аналогичных SIR-тесту оборудования и тестовых плат. Основная разница между данными процессами заключается в прилагаемом напряжении. Обычно при тестировании электромиграции прилагаемое напряжение не превышает 10В. Это связано с тем, что многие современные электронные схемы имеют напряжение питания не более 5В, а высокое тестовое напряжение приводит к пережиганию металлических нитей и дендритов, оказывая влияние на результаты испытаний.

8.10. Литература

1.Оборудование и материалы для поверхностного монтажа. Краткий каталог 2004. ЗАО «Предприятие ОСТЕК»

2.Оборудование и материалы для поверхностного монтажа. Краткий каталог 2003. ЗАО «Предприятие ОСТЕК»

3.Поверхностный монтаж №4 (21), ноябрь 2002

4.Поверхностный монтаж №2 (24), апрель 2003

5.Поверхностный монтаж №3 (25), июль 2002

6.Поверхностный монтаж №4 (26), сентябрь 2003

173

7.Отмывка печатных узлов. Презентация. Семинар 9 декабря 2003 г. ЗАО «Предприятие ОСТЕК»

8.Методы контроля качества отмывки печатных узлов. Презентация. ЗАО «Предприятие ОСТЕК»

9.Белый налет на печатных платах после отмывки. Презентация. ЗАО «Предприятие ОСТЕК»

174

9. Нанесение влагозащитных покрытий

9.1.Причины, приводящие к необходимости нанесения влагозащитных покрытий

Надежность и длительность срока службы изделий электронной техники находится в зависимости от условий и режимов эксплуатации, их конструкции и свойств материалов. Нарушение работоспособности может быть вызвано воздействием ряда факторов. В первую очередь это:

1.Влияние агрессивной окружающей среды.

2.Тепловое старение.

9.1.1.Влияние климатических воздействий

Климатические факторы, влияющие на процессы деградации радиоэлектронной аппаратуре (РЭА), достаточно взаимосвязаны между собой и весьма сильно ускоряют протекание разрушающих электрохимических реакций. В нормальных климатических условиях процессы деградации протекают медленнее.

Печатный монтаж повышенной надежности должен выдерживать следующие воздействия атмосферной среды:

∙повышенная влажность в течение длительного времени,

∙частые перепады температуры,

∙химическая загрязненность среды (сернистый газ, хлориды, аммиак),

∙пыль,

∙солнечная радиация.

Влагозащитные покрытия призваны уменьшить влияние этих факторов на деградационные процессы в радиоэлектронной аппаратуре.

9.1.2. Повышенная влажность

Печатный узел, не защищенный влагозащитным покрытием, при длительном хранении во влажной среде будет поврежден и при включении с большой долей вероятности выйдет из строя.

Причиной этого будет гигроскопичность подложки печатной платы либо адсорбированный на поверхности платы слой влаги. В условиях нормальной влажности, постоянной температуры и отсутствии пыли основание печатной платы (ПП) обладает высоким сопротивлением изоляции и малыми токами утечки. При повышенной влажности, перепадах температуры, наличии пыли, на поверхности платы адсорбируется слой влаги и загрязнений. Этот слой обладает ионной проводимостью, и уже он, а не диэлектрический слой основания ПП определяет прочность промежутка между проводниками и токи утечки. Ионогенные примеси, не отмывшиеся после пайки, усугубляют положение, увеличивая токи утечки на три-четыре порядка. При включении такого узла возникнут электролитические процессы, приводящие к отказу узла.

Очень опасным является образование под действием влаги гальванических пар, облегчающееся наличием в схемах разнородных металлов (проводники, припои, гальванопокрытия и т. д.). Вследствие этого явления возникает электролитическая коррозия, способная приводить к полному разрушению проводников тонких сечений и металлических покрытий.

9.1.3. Осмотические явления

Известно, что влагозащитное покрытие не обеспечивает полной изоляции печатного узла. Поэтому повышенная влажность в совокупности с некачественной очисткой печатного узла перед нанесением влагозащитного покрытия может привести к

175

осмотическим процессам. Из-за загрязнений во влажной среде под покрытием образуется концентрированный раствор различных солей, и тем самым создаются условия для осмоса, т. е. начинается интенсивное перемещение влаги под покрытие (Рис. 9.1). Скорость такого перемещения прямо пропорционально разности концентраций раствора под покрытием и раствора в наружной пленке влаги. В результате под лаковым покрытием из-за скопившейся жидкости возникает значительное давление, приводящее отслаиванию и вспучиванию покрытия. Осмотическое накопление влаги под лаковым покрытием при функционировании аппаратуры неизбежно приводит к образованию токопроводящих мостиков, т. е. к отказу ПУ.

Рис. 9.1. Отслоение влагозащитной пленки под действием осмотических явлений

9.1.4. Образование дендритов

Одновременное присутствие в изоляционном зазоре влаги, растворимых загрязнений и электрического напряжения создает условия для протекания электролиза, являющегося основой электрохимического процесса отказа. В результате электролиза проводник-анод растворяется, отдавая воде положительно заряженные ионы металла, которые, направляясь к проводнику-катоду, восстанавливаются на нем до металлического состояния, образуя в изоляционном зазоре проводящие перемычки дендритоподобной рыхлой структуры. В результате этих процессов за несколько минут в водной среде могут образоваться нитевидные кристаллы толщиной 2 - 20 мкм и длиной до 12 мм.

Рис. 9.2 Схема образования дендрита в канале, наполненном ионогенными загрязнениями

После образования перемычки кристаллы постепенно утолщаются до 0,1 мм, приобретая отчетливый металлический блеск. Сопротивление таких кристаллов может доходить до 1 Ом. Таким образом, происходит выход из строя изоляции между печатными проводниками.

Скорость образования проводящих перемычек определяется материалом проводников, относительной влажностью среды, смачиваемостью, водо- и влагостойкостью изоляции, величиной напряжения.

176

Рис. 9.3. Стадии образования токопроводящей перемычки в конденсате воды при постоянном напряжении 4 В: а) через 2 мин после включения напряжения; б) через 2,5 мин; в) через 3 мин; г) через 4 мин.

Рис. 9.4. Образование дендрита

9.1.5. Коррозия

Для металлических деталей РЭА характерна атмосферная коррозия, протекающая под тонкой пленкой влаги на поверхности изделия в присутствии кислорода воздуха.

С увеличением влажности или температуры процесс коррозии ускоряется. Обычно коррозия оказывает самое сильное разрушающее действие при часто повторяющейся конденсации в сочетании с повторным испарением.

Наличие посторонних веществ на металлических поверхностях, например остатков флюса, других остатков производственных процессов – грязи, отпечатков пальцев и т. п., может вызвать или ускорить коррозию при наличии влажности.

Наиболее опасные условия коррозии создаются в присутствии сернистого газа, концентрация которого значительна в атмосфере промышленных городов и жилых помещений. Сернистый газ, растворяясь в пленке влаги, повышает ее кислотность и электропроводность и тем самым ускоряет коррозию.

9.1.6. Воздействие плесневого грибка

Плесневые грибки не имеют хлорофилла и поэтому используют органические вещества, на которых происходит их рост. Плесневые грибки содержат большое количество ферментов, которые катализируют процессы разложения. Помимо питательных веществ для развития грибков нужна влага, так как грибковые нити не имеют защиты от испарения. Влага не обязательно должна быть в виде жидкости. Достаточно, чтобы влажность воздуха была 70 – 100%, во всяком случае, не ниже 65%. При предельной влажности 65–70% могут развиваться только отдельные виды грибков. Температура для роста грибков не играет существенной роли, но свет, особенно ультрафиолетовая и инфракрасная части спектра, сильно тормозят их развитие. Способствует росту грибков неподвижность воздуха. Мицелий плесневого грибка состоит из воды с высоким содержанием белка и питательных солей. По нему может происходить закорачивание электрической цепи. Кроме того, органические кислоты, входящие в такой электролит, ускоряют коррозию токонесущих участков.

177

9.2.2. Срок хранения

Срок хранения определяется временем, в течение которого материал может находиться при заданной температуре в оригинальной нераспечатанной упаковке без явного ухудшения своих свойств.

9.2.3.Вязкость

Вбольшинстве случаев наиболее технологичны составы с низкой вязкостью (менее 3000 сПз), позволяющей жидкому покрытию легко растекаться вокруг компонентов во время нанесения и заполнять пространства под компонентами.

Однако, при покрытии компонентов с острыми углами или выступающими выводами желательна высокая вязкость материала.

Вязкость должна быть достаточной, чтобы обеспечить галтель на границе компонента и платы, где не может быть обеспечено полное проникновение покрытия под компонент.

Материал покрытия должен иметь оптимальную или близкую к оптимальной вязкость для данной конкретной задачи.

Это минимизирует или даже устранит потребность разбавления, а, следовательно, и дополнительные затраты труда.

9.2.4.Содержание твердой составляющей

Твердая составляющая представляет собой часть материала покрытия, из которого будет сформирована влагозащитная пленка после отверждения. Покрытия обычно поставляются в виде жидкости, представляющей собой раствор материала покрытия. При этом после нанесения растворитель испаряется. В последнее время наблюдается тенденция к переходу на материалы на водной основе, где в качестве растворителя используется вода.

Содержания твердой составляющей может лежать в пределах 15 - 45%. Но существуют материалы, состоящие из чистого покрытия без растворителя.

Содержание твердой составляющей влияет на толщину слоя покрытия, наносимого за один проход, и соответственно, на количество материала, требующегося для достижения требуемой толщины покрытия.

9.2.5. Отверждение

Процесс отверждения материала влагозащитного покрытия состоит из нескольких

этапов.

На первом этапе материал покрытия теряет способность к растеканию и не прилипает при прикосновении. Этот этап должен быть минимальным по продолжительности для уменьшения оттока покрытия с острых ребер компонентов и выводов.

На втором этапе покрытие можно трогать без повреждения, что облегчает транспортировку и упаковку изделия.

На стадии полной полимеризации покрытие достигает оптимальных защитных и рабочих характеристик. В конце этой стадии важно убедиться, что покрытие полностью полимеризовалось. Поэтому до выпуска любого печатного узла проводят климатические, эксплуатационные испытания. Также проводят тест на ускоренное старение.

9.2.6. Температура отверждения

Температура отверждения является важным фактором. Чем выше температура, тем быстрее происходит отверждение.

179

Очевидно, что отверждение при комнатной температуре требует меньше затрат, чем при повышенной температуре. Обычно при комнатной температуре влагозащитным покрытиям до полной полимеризации требуется до 24 часов.

Впечи влагозащитные покрытия могут полимеризоваться за короткий промежуток времени вплоть до 30 секунд. Быстроотверждающиеся покрытия обычно представляют собой двухкомпонентную систему.

Для массового производства желательно применение самых быстроотверждающихся покрытий. Однако надо иметь в виду, что высокая температура отверждения может привести к повреждению термочувствительных компонентов на плате.

Впрактике считается, что время второго этапа отверждения не должно превышать 30 минут при комнатной температуре.

9.2.7.Электрические свойства

Влагозащитное покрытие должно обладать хорошими электроизоляционными свойствами. Эти свойства не должны ухудшаться с изменением температуры и влажности. Кроме того, покрытие не должно отрицательно влиять на характеристики электрической схемы. Например, некоторые покрытия при низких частотах не влияют на работоспособность схемы, но приводят к отказу схемы на частотах выше 10кГц. Диэлекрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь возрастают, тогда как сопротивление и электрическая прочность диэлектрика уменьшаются. Повышение тангенса угла диэлектрических потерь означает увеличение потерь полезной энергии и связанный с этим нагрев аппаратуры. Добротность колебательных контуров обычно уменьшается при увеличении частоты и толщины покрытия.

9.2.8. Влагопроницаемость / влагопоглощение

Поглощение влаги покрытием, как из воздуха так и из водяной пленки на поверхности печатного узла влечет за собой уменьшение удельного объемного сопротивления, а также увеличение поверхностных токов. Следовательно, покрытия должны иметь низкие показатели влагопроницаемости и влагопоглощения.

9.2.9. Химическая совместимость и химическая стойкость

Влагозащитное покрытие должно быть электрохимически совместимым с материалом печатного узла, компонентами и химическими соединениями, оставшимися на плате в результате выполнения предыдущих технологических операций. Они не должны разъедать корпуса компонентов и удалять с них маркировку. Некоторые химические соединения могут влиять на адгезию влагозащитного покрытия с платой, препятствовать отверждению покрытия или замедлять его. Перед применением покрытия настоятельно рекомендуется провести испытания на совместимость покрытия и материала платы. Кроме этого рекомендуется провести испытания поверхностного сопротивления изоляции (SIR-Test) конечного продукта. Этот тест позволит выяснить, существует ли электрохимическое взаимодействие между покрытием и различными химическими соединениями – паяльной маской, клеем, остатками флюса, промывочной жидкости.

Большинство материалов влагозащитных покрытий обладают весьма высокой устойчивостью в различных химически агрессивных средах. Однако если печатный узел будет подвергаться продолжительному воздействию агрессивных химических соединений, таких как углеводороды, необходимый уровень защиты могут обеспечить только покрытия на основе эпоксидных смол.

180