Лекции / Официальные лекции Заводян / Лекция 10

Органический растворитель, в сущности, управляет текучестью и клейкостью припойной пасты. Он должен растворять флюс, не быть гигроскопичным и иметь высокую температуру воспламенения. Выбор растворителя для припойной пасты осуществляется по оптимальной скорости его испарения из состава пасты, что определяется при ее тестировании.

Флюс является одним из основных ингредиентов припойной пасты, так как именно он преимущественно обеспечивает требуемую смачиваемость припоем и, тем самым, паяемость контактируемых материалов при монтаже ЭУ. В то же время флюс служит для активации контактируемых поверхностей при удалении с них оксидов и прочих загрязнений до и во время пайки; уменьшения поверхностного натяжения припоя, что способствует изменению вязкости припоя во времени и обеспечивает требуемую его растекаемость. Кроме того, флюс в отдельных случаях используется и для фиксации самых малых чип-компонентов. Содержание флюса в среднем составляет 1,5 – 2% от общего веса припойной пасты. В составе припойных паст применяют флюсы, обладающие требуемой активностью (флюсующими свойствами), не вызывающие процессов коррозии в контактируемых материалах (речь идет как о флюсах, так и о продуктах их взаимодействия с металлами), легко удаляющиеся (вместе с продуктами взаимодействия с металлами при пайке) после монтажа ЭУ. Температура плавления флюса должна быть ниже температуры плавления припоя, а температурный интервал активности флюса должен соответствовать интервалу рабочих температур при пайке, чтобы процесс смачивания флюсом контактирующих материалов начался непосредственно перед оплавлением припоя, но в то же время флюс не потерял активность до окончания процесса пайки. Требуемые флюсующие свойства обеспечиваются путем введения в основной состав флюса активирующей добавки (активатора). Широкое распространение для паст с оловянно-свинцовыми припоями получили слабо активированные канифольные флюсы, которые не образуют при активации поверхности паяемых материалов коррозионно-активных остатков, например, флюс, активированный слабой органической кислотой (бензойной, салициловой и др.) либо триэтаноламином и т.п. В последние годы стали применяться в составе паст флюсы, не оставляющие твердых продуктов при разложении в процессе пайки и не требующие очистки ЭУ после монтажа, например, флюсы в составе припойных паст (так называемых безотмывочных паст) типа РМ-92, SS48-M885, SS48-M600, SS4-M951DK, SS48-M1000-2 и др. Однако их использование для ЭУ специального назначения требует дополнительных исследований влияния паст на эксплуатационную надежность готовых изделий.

Клеевые материалы (обычно органические полимерные) используют в настоящее время не только для крепления (фиксации в позициях знакомест) навесных компонентов перед пайкой, но и для уменьшения поверхностного натяжения припоя при пайке и других целей. Они могут применяться отдельно, а также входить в состав припойных паст. Самое большое преимущество использования полимерных клеевых материалов, которые чаще всего являются многокомпонентными системами, состоит в возможности варьировании их свойств введением в их состав различных модификаторов, активных разбавителей, добавок и наполнителей, придающих клеям (адгезивам) требуемые свойства (высокую электропроводность, теплопроводность, тиксотропность, пластичность либо изолирующие свойства, нагревостойкость, адгезионную прочность, скорость отверждения, устойчивость к термоциклическим, механическим, климатическим и другим воздействиям).

Исследования, проводимые с целью выбора оптимального состава адгезива для сборки компонентов в микрокорпусах и чип-конструкций показали, что клеевые составы на основе модифицированных эпоксидных смол, отверждаемых при температуре не выше 150 ^оС в течение 1 – 3,5 мин, способны выдерживать до четырех проходов сквозь волну припоя (в режиме пайки) без существенного снижения (а для отдельных составов даже повышения) адгезионной прочности клеевого соединения. Это позволило рекомендовать степень отверждения клеевых составов на этапе сборки ПМК (перед пайкой) не более чем на 70% с целью уменьшения времени термообработки.

Для фиксации пассивных навесных компонентов в прямоугольных микрокорпусах, отдельных чип-компонентов и полупроводников приборов (при их сборке на ПП) рекомендуемая масса капли адгезива составляет 0,20,05 мг, что обеспечивает надежное закрепление таких компонентов с минимальным наплывом адгезива на зону пайку.

Спецификой использования клеевых составов для сборки ПМК являются требования высокой скорости образования адгезионных связей с контактируемыми поверхностями (быстрой «схватываемости») и отверждения, а также технологической совместимости с условиями работы автоматизированной сборочной и монтажной технологических линий. Кроме того, при выборе материала адгезива, гарантирующего надежность крепления навесного компонента на ПП, следует учитывать максимальную температуру процессов термообработки на этапе сборки, групповой автоматизированной пайки на этапе монтажа, температуру отверждения адгезива, срок его пригодности к использованию, совместимость с припоем и флюсом и химическую инертность к ним и материалам конструкций навесных компонентов, отсутствие «нитевидного эффекта» при нанесении на ПП, устойчивость к механическим и термическим воздействиям. Адгезив не должен поглощать влагу или флюс, а также способствовать образованию объемных и других дефектов при формировании клеевых соединений.

В настоящее время разработано множество клеящих материалов для сборки ЭУ, например, клеи на основе: эпоксидной смолы, которая при температуре отверждения более 313 К показывает высокую адгезионную прочность крепления компонентов; акриловых смол, имеющих меньшую адгезионную прочность (чем эпоксидные), но комнатную температуру отверждения и быстрое «схватывание»; эпоксидно-акриловых композиций, отверждающихся под действием УФ излучения с последующим ИК-нагревом; полиимидных смол высокотемпературного отверждения. Клеевые составы на основе цианакрилатов – быстроотверждаемые без подвода тепла адгезивы, имеют лучшие в сравнении с другими прочностные характеристики, но не пригодны для использования в технологии трафаретной печати и при дозированном переносе (табл. 10.1), химически агрессивны в процессе образования клеевого

Таблица 10.1.

Способы нанесения клея

Принцип нанесения	Краткие сведения
Трафаретная печать	1 – адгезивная паста; 2 – ракель; 3 – трафарет; 4 – коммутационная плата (КП). Способ пригоден только для плоских поверхностей; обеспечивает одновременное нанесение многих клеевых точек (групповую технологию); варьирование размеров клеевых точек; простоту реализации; простую очистку трафарета. Однако средства трафаретной печати вносят загрязнения в материал адгезива и КП; при реализации способа требуется частая замена трафаретов.
Перенос капли	1 – дозирующий стержень (капилляр); 2 – переносимая капля; 3 – клеевой состав в емкости; 4 – КП. Способ пригоден для плоских и рельефных поверхностей; прост в реализации; обеспечивает высокую плотность нанесения клеевых точек; не требует ремонта оснастки; допускает нанесение нескольких клеевых точек, хотя их количество и ограничено; упрощает контроль качества нанесения адгезива в процессе выполнения операций, но обладает недостатками: большим разбросом размеров капель клея; повышенной возможностью внесения загрязнений в материал адгезива и КП; невысокой производительностью.
С помощью пневмодозатора	1 – дозатор (игла); 2 – поршень шприца; 3 – капля клея; 4 – КП. Способ пригоден для плоских и рельефных поверхностей; обеспечивает контроль качества адгезива при его нанесении; допускает нанесение клеевых капель различных (регулируемых) размеров. Одновременная подача нескольких капель ограничена; возможны включения воздуха в объеме клея. Для удаления пузырьков воздуха рекомендуется вакуумирование клея перед его нанесением.
Накатка	1 – штатив; 2 – ролик, задающий рисунок клеевого соединения; 3 – основной ролик; 4 – плата; 5 – подача клея. Способ пригоден для плоских поверхностей, но не пригоден для групповых технологий; обеспечивает контроль качества адгезива при его подаче; требует специальной оснастки.
Наложение	1 Окончание табл. 10.1 – валик (подогревается для оплавления клеевой пленки или клеевой таблетки); 2 – клеевая пленка, оплавляемая на поверхности КП; 3 – клеевая таблетка; 4 – КП. Способ пригоден для плоских и рельефных поверхностей, но не пригоден для групповых технологий; не обеспечивает точной дозировки клеевых капель малых размеров.

соединения (имеются случаи повреждения выводов навесных компонентов), плохо противостоят действию растворителей и не выдерживают температуры пайки, поскольку являются термопластичными. Уретановые, а также имидные адгезивы обеспечивают пластичность и температурную стабильность характеристик клеевого соединения, однако отверждаются при повышенных температурах (выше 150 ^оС). Уретано-акриловые адгезивы отверждаются довольно медленно, при воздействии УФ или ИК-излучения, а также с применением горячего воздуха в качестве источника нагрева. Применение уретано-акриловых адгезивов для сборки ПМК на ПП ограничено, поскольку после их отверждения требуется тщательная промывка клеевых соединений в растворителях для удаления неотверждающихся липких продуктов полимеризации, загрязняющих ПП и припойные материалы на последующих операциях. И все-таки чаще других для сборки ПМК на ПП применяют клеи на основе эпоксидных смол, которые имеют невысокую температуру отверждения (20 – 120 ^оС), малый уровень ионных загрязнений, малые деформации при сдвиге, высокую (выше, чем у большинства других клеев) адгезионную прочность клеевых соединений практически со всеми материалами ЭУ. Эпоксидные, как и другие клеевые композиции для сборки СУ, как правило, не содержат летучих ингредиентов (например, растворителей), что способствует повышению эксплуатационной надежности ЭУ, изготовленных с их применением. Одним из самых перспективных клеевых материалов для сборки ячеек является клей на эпоксидно-акриловой основе, отверждающийся при воздействии УФ излучения с последующей термообработкой в конвекционной или ИК-печи в течение 3 – 5 мин при температуре менее 383 К.

Для нанесения адгезивов на ПП чаще всего используют три метода, автоматизируемые проще других: трафаретную печать, перенос капли клея и дозированную подачу капель клея (пневмодозатором, шприцем, пистолетом) (см. табл. 10.1).

При разработке изделий, изготавливаемых с применением ПМК, следует учитывать специальные рекомендации по размещению клеевых точек на КП во время сборки навесных компонентов.

Конформные (защитные) покрытия необходимы для зашиты коммутационных элементов ПП от затекания на них припоя из зоны пайки, особенно с уменьшением расстояния между проводниками (или контактными площадками знакомест для ПМК), чтобы избежать их случайных замыканий. Кроме того, защитное (конформное) покрытие предохраняет поверхность платы от механических повреждений, проникновения влаги, загрязнений (особенно ионогенных, вносимых извне на этапах выполнения сборочно-монтажных операций), в значительной степени снижает миграционную способность серебра им других веществ, а также может выполнять функцию маски для предотвращения окисления нанесенного припойного материала и тем самым способствовать улучшению паяемости в местах контактирования (в последнем случае в состав покрытия чаще всего вводят слабо активированный флюс, который, как правило, удаляется при пайке полностью, разлагаясь на летучие соединения). Конформное покрытие может препятствовать смещениям компонентов на знакоместах при пайке и, кроме того, способствовать увеличению плотности коммутации на ПП.

В зависимости от продолжительности использования защитные покрытия могут быть временными ли постоянными. Временные защитные покрытия применяются только на производственных этапах, а постоянные остаются и на время эксплуатации изделий, но независимо от продолжительности использования защитные покрытия в немалой степени способствуют повышению эксплуатационной надежности ЭУ.

Материалами защитных покрытий чаще всего являются лаки на основе полиуретановых, эпоксиамидных и других органических смол (табл. 10.2). Для эффективного выполнения защитным покрытием заданных функций к материалу покрытия предъявляются следующие требования: высокая адгезионная прочность по отношению к ПП и всем сопрягаемым с ней материалам, минимальная температура отверждения, высокие диэлектрические свойства, прозрачность, влагостойкость и антикоррозионные свойства, химическая инертность к материалам ПП (включая припойные покрытия, материалы коммутации и др.), высокая технологичность, пластичность, необходимая термостойкость. С учетом этих требований выбирают материал защитного покрытия (см. табл. 10.2), который, как правило, подвергают тестированию на применимость для конкретного изделия по критериям, максимально отражающим эффективность применения выбранного покрытия, включая способ его формирования на ПП.

Таблица 10.2.

Сравнительные характеристики материалов конформных покрытий

Характеристики	Материалы конформных покрытий
	акриловый	эпоксидный	полиуретановый	силиконовый
Износоустойчивость	3	1	2	2
Кислотостойкость	1	1	3	2
Щелочестойкость	1	1	3	2
Простота нанесения	1	3	2	3
Время отверждения	1	4*	3**	4
Влагостойкость:  кратковременная  долговременная	1 2	2 3	1 1	1 2
Механическая прочность	3	1	2	2
Сохраняемость в исходном состоянии	1	4	2	4
Удаление:  выжиганием,  химическое	1 1	3 5	2 3	 5
Устойчивость от растворения в растворителях	5	1	2	2
Теплостойкость	5	5	5	2

Примечания. Характеристики описаны по убывающей шкале (1 – хорошо, 5 - плохо);

*уменьшается до 3, если отверждается при повышенной температуре;

**уменьшается до 2, если отверждается при повышенной температуре.

Постоянные покрытия, защищающие элементы ПП во время пайки, наносят обычно с применением трафаретной либо переносной (офсетной) печати на всю поверхность ПП, оставляя открытыми только места для пайки. При определении размеров открытых ячеек трафаретов необходимо учитывать точность их совмещения с контактными площадками ПП. Временные покрытия чаще наносят пульверизацией, при этом если материал защитного покрытия выполняет функцию маски (барьера) от наплывов припоя на проводники при пайке, используют трафарет, а если покрытие содержит еще и флюс, т.е. дополнительно служит для улучшения паяемости, то трафарет необязателен. Конформные покрытия, служащие в качестве барьеров для защиты коммутации, следует наносить как можно ближе к контактным площадкам, но не на них, а при наличии сквозных отверстий (например, для межслойной коммутации) их нужно располагать дальше от контактной площадки, либо маскировать вместе с отверстием. Об использовании флюсосодержащих материалов, а также других перспективных полимерных материалов (типа имидазолов либо триазолов) в качестве конформных покрытий, имеются только единичные сведения.

Контрольные вопросы к лекции 10

1. Каково назначение узловой сборки?

2. Перечислите основные сборочные операции, не связывая их с видом ЭРК и размещения на ПП (с одной или 2-х сторон ПП). Укажите назначение каждой операции.

3. Назовите основные причины, которые могут привести к некачественной сборке СУ и поясните их последствия.

4. В каких случаях применяют ручную, механизированную и автоматизированные виды сборки?

5. Поясните суть отличий в использовании сборочного оборудования с жесткой и гибкой индексацией адреса компонента.

6. Какие преимущества для сборки ЭРК на ПП дает использование пантографа? Какие операции можно выполнять с помощью пантографа?

7. С какой целью осуществляют фиксацию ЭРК на ПП? Перечислите основные способы фиксации и назовите факторы, определяющие их выбор.

8. Почему автоматизация ТП повышает эффективность производства ЭУ?

9. Перечислите основные узлы сборочного автомата средней сложности, указав их назначение.

10. Охарактеризуйте сбору ЭРК на ПП при низком, среднем и высоком уровнях автоматизации.

11. В чем состоят отличия сборки ПМК и ТМК на ПП?

12. В каком направлении совершенствуется автоматизированное сборочное оборудование? Какие факторы учитываются при организации АЛС и ГАЛС?

13. Каково назначение пропойной пасты, конформного покрытия и клея при узловой сборке?

14. Укажите состав и назначение ингредиентов припойной пасты. Почему важно знать содержание припоя, форму и размеры частиц припоя в составе припойной пасты? По каким характеристикам тестируют припойные пасты?

15. Какие Вы знаете клеевые материалы? Укажите чаще всего применяемые материалы и способы их нанесения при сборке ЭРК.

16. С какой целью наносят конформные покрытия на ПП и какими способами? Назовите материалы конформных покрытий.

16