ФХОМиНТ №3 / Семинар № 08 / Все о пайке / 2010_03_58

Владимир Ланин,

Конструктивно-технологические

• Конструкция изделий должна обеспечивать трех-

профессор

особенности SMD-корпусов

кратное воздействие групповой пайки и лужение

vlanin@bsuir.by

выводов горячим способом без применения тепло-

Поверхностный монтаж электронных компонен-

отвода и соединение при температуре групповой

тов на платы — перспективное направление сборки

пайки не выше 265 °C не более 4 с.

Анатолий Керенцев

электронных модулей, к которым предъявляются

• Выводы и контактные площадки изделий должны

akerentsev@transistor.com.by

требования миниатюрности и невосприимчивости

иметь гарантированную паяемость с использова-

к низкочастотным вибрациям. В качестве активных

нием спирто-канифольных неактивированных

электронных компонентов для силовых электронных

и слабоактивированных флюсов (не более 25%

модулей применяют транзисторы в пластмассовых

канифоли), без дополнительной подготовки, в те-

корпусах для поверхностного монтажа с укоро-

чение 12 месяцев с момента изготовления.

ченными выводами типа SOT-23, SOT-223, D-Pak,

• Изделия должны выдерживать трехкратный на-

D2 Pak, благодаря их низкой стоимости [1].

грев по режиму: температура не выше 150 °C, дли-

Выбор типа корпуса зависит от мощности, рассеи-

тельность однократного воздействия — не более

ваемой прибором, и реального размера полупровод-

10 мин.

никового кристалла. SОТ-23 применяют для корпу-

• Конструкция изделий должна обеспечивать при-

сирования кристаллов площадью до 1 мм2 и с рас-

менение групповых методов пайки. Оплавление

сеиваемой мощностью до 500 мВт. SОТ-89 рассчитан

припойной пасты происходит в режиме: нагрев

на кристаллы площадью 3 мм2 и мощность до 1 Вт.

до температуры 190 °C не более 30 с; последующий

Транзисторные корпуса имеют простую конструк-

нагрев до температуры не выше 230 °C не более

цию: у SОТ-23 выводы поочередно отходят от каждой

15 с; нагрев групповым паяльником при темпера-

из сторон корпуса, в то время как у SОТ-89 они рас-

туре пайки не выше 265 °C не более 4 с.

положены с одной стороны корпуса, а центральный

Однако такие недостатки пластмассовых корпусов,

вывод имеет увеличенный размер для лучшего отво-

как невысокая герметичность и малая рассеиваемая

да тепла (рис. 1). Корпусa типа SOT герметизируют

мощность, исключают возможность их использова-

методом литьевого прессования с применением раз-

ния в электронных модулях авиационного и косми-

личного типа прессовочного материала.

ческого назначения. Перспективны в этом случае из-

Корпуса SОТ-23 и SОТ-89 относятся к XIV группе,

делия в герметичных металлокерамических корпусах

к которым согласно ГОСТ 20.39.405-84 предъявляют-

типа SMD-0,5, SMD-1, SMD-2, которые позволяют

ся жесткие требования по паяемости:

осуществлять микроминиатюризацию модулей, сни-

жение веса при обеспечении высокой рассеиваемой

мощности при коммутации токов до 50 А и сохра-

нении герметичности после длительных термоци-

клических нагрузок. Мощность рассеивания корпуса

типа SMD составляет 150 Вт и более. Особенностью

конструкции корпуса SMD являются тщательно по-

добранные материалы, совместимые по коэффици-

енту термического линейного расширения (КТЛР).

Герметичный корпус состоит из трех контактных

а

площадок, впаянных в керамическую плату, являю-

б

щуюся основанием корпуса, а также металлического

Рис. 1. Конструкции транзисторных корпусов: а) SОТ-23; б) SОТ-89

ободка и крышки (рис. 2). Герметизируют корпуса

SMD шовной роликовой сваркой.

58

www.tech e.ru

ля, он истощается, и все это приводит к худ-

чиваться расплавленным припоем и образо-

Fа = Shg,

(1)

шему смачиванию.

вывать с ним качественное паяное соединение.

Время, температура и среда пайки значи-

Паяемость определяется физико-химической

где S — площадь образца, h — глубина по-

тельно влияют на смачивание. Недостаточный

природой материалов и припоя, способом

гружения.

прогрев паек либо из-за слишком короткого

и режимами пайки, флюсующими средами,

При полном смачивании значение силы

времени, либо из-за слишком низкой темпера-

условиями подготовки паяемых поверхностей

смачивания равно F1, при отрыве образца

туры приведет к неполному химическому вза-

и т. д. [5]. Для образования паяного соедине-

сила смачивания достигает F2. Скорость по-

имодействию флюса с поверхностью, а также

ния необходимо и достаточно смачивания

гружения образцов выбирается в пределах

к неполному металлургическому смачиванию

поверхности металла расплавом припоя, что

0,2–0,4 мм/с, время погружения 4–5 с, глуби-

поверхности. Однако чрезмерный перегрев

определяет возможность дальнейшего об-

на — 0,8–2,0 мм. Мерой паяемости служат сила

при оплавлении припоя послужит причиной

разования между ними химических связей.

F1 и время t1, за которое она достигает этого

не только сильного окисления поверхностей

Пайка должна обеспечивать образование гер-

значения. Косинус краевого угла смачивания

контактных площадок и выводов, но и потери

метичных соединений и требуемую прочность

находят по формуле:

активности флюса. Использование нейтраль-

соединений при различных температурах ра-

сosΘ = (F1+Fa)/F2.

ной среды азота при пайке приводит к суще-

боты. Для выполнения указанных требований

(2)

ственному улучшению смачивания.

расплавленный припой должен:

Как правило, припой легко смачивает кон-

• хорошо смачивать соединяемые поверхно-

Этот метод введен в европейские и между-

тактные площадки после горячего облужи-

сти и проникать во все зазоры соединения,

народные стандарты (MIL, DIN, JIN, IPC)

вания, так как пайка по этому покрытию

что позволяет определить его смачивающую

и применяется для оценки паяемости ши-

сводится к слиянию расплавленного припоя

способность;

рокого круга покрытий, печатных плат,

из паяльной пасты с припоем из покрытия.

• растекаться по поверхности металлов, что

чип-компонентов, эффективности акти-

Другие финишные покрытия плат, такие как

позволяет получить информацию о харак-

вированных флюсов и бессвинцовых при-

иммерсионное золото по никелю или хими-

теристиках припоев в зависимости от хими-

поев. Менискограф MeniscoST60 Wetting

ческий никель под иммерсионным золотом,

ческой и физической природы соединяемых

Balance обеспечивает глубину погружения

не обеспечивают полного смачивания, хотя об-

поверхностей, установить эффективность

образцов в расплав припоя от 0,1 до 1,0 мм

разование галтели припоя может произойти.

как систем припоев и флюсов, так и вре-

с шагом 0,1 мм со скоростью от 1 до 50 мм/с.

Меньшее растекание припоя по этим покры-

мени температурных циклов во время опе-

Время выдержки и наблюдения составляет

тиям объясняется необходимостью большей

раций пайки.

от 1 до 30 с. Хорошей смачиваемости соответ-

энергии и большего времени для химическо-

Паяемость выводов компонентов трудно

ствуют значения сил поверхностного натяже-

го взаимодействия компонентов пайки и об-

оценить визуально, к тому же опыт показыва-

ния припоя от 350 до 450 мН.

разования металлургических связей припоя

ет, что покрытия теряют паяемость при хране-

Исследовано влияние материала основы

с этими покрытиями.

нии. Постепенная диффузия меди в оловянное

и финишных процессов формирования функ-

Дополнительные трудности при смачивании

покрытие или припой образует интерметал-

циональных гальванопокрытий на паяемость

покрытийвозникаютприпереходеотоловянно-

лические соединения, которые, увеличиваясь

внешних выводов MOSFET-транзисторов

свинцовых припоев к бессвинцовым типа Sn-

на паяемых поверхностях, вызывают отсут-

в корпусе SOT-23. Сборка транзисторов осу-

Ag-Cu, которые требуют для смачивания более

ствие смачивания. Поэтому необходимо про-

ществлялась на ленточном носителе, плакиро-

высокихтемпературиотличаютсяинтенсивным

верять паяемость таких поверхностей после

ванном локальной полосой серебра толщиной

образованием интерметаллических соединений

хранения с целью обеспечения высокой надеж-

5 мкм. В качестве основы ленты использован

в процессе смачивания [4].

ности и выхода годных изделий.

сплав 42Н. После герметизации трансферным

Уменьшение способности смачивания может

Метод погружения наиболее часто приме-

прессованием пресс-материала MG40F прово-

также произойти в результате газовыделения

няют для испытаний на паяемость, поскольку

дилась очистка поверхности внешних выводов

из материалов, окружающих пайку (корпусов

выводы компонента просто погружают снача-

от облоя путем предварительной выдержки

компонентов, печатных плат, защитной маски

ла во флюс, а затем в расплавленный припой

в диметилформамиде при 125 °С и с последую-

и др.). Распад органических соединений или

и по степени покрытия их припоем оценивают

щей обработкой направленной струей сжатого

выделение паров воды под действием темпе-

паяемость. Выводы выдерживают в ванне 2 с,

воздуха, содержащего сухой абразив размером

ратуры пайки образуют газовую среду, пасси-

затем удаляют из припоя, охлаждают и очи-

0,4–0,9 мм, а затем водным раствором абразива

вирующую поверхности. Водяной пар может

щают изопропиловым спиртом. Значительное

(гидроабразивнаязачисткастекляннымишари-

такжеобразовыватьсяприиспользованииводо-

распространение припоя по длине вывода

ками диаметром 40–80 мкм). После отмывки

растворимыхфлюсов.Притемпературахпайки

(на 95%) свидетельствует о хорошей паяемо-

и проведения финишных операций электро-

водяной пар, являясь сильным окислителем,

сти, а образование шарика припоя с большими

химического обезжиривания, травления, де-

приводит к окислению поверхностей расплав-

контактными углами — о плохой паяемости.

капирования и гальванического осаждения

ленного припоя и межфазных границ раздела,

Оставшиеся 5% несмоченной поверхности

покрытия олово висмут (Sn-Bi) выполнялась

на которых неизбежно образуются интерметал-

могут приходиться на поры и пустоты, при

формовка внешних выводов и вырубка при-

лические соединения, которые не смачиваются

условии, если они концентрируются не водном

боров из рамки.

припоем. Уменьшение способности смачива-

месте. Оценка результатов испытаний иногда

В условиях массового производства тран-

ния зависит от количества выделившегося газа,

затруднительна, поскольку смачивание поверх-

зисторов установлено, что обычный техно-

его состава и расположения места выделения

ности может быть неравномерным.

логический маршрут не обеспечивает вос-

газа. Чем больше его количество и чем больше

Методбалансасмачиваниясостоитвпрямом

производимость качества функционального

водяного пара, тем интенсивнее идут процес-

измерении сил смачивания и работы адгезии.

покрытия олово висмут, содержащего 0,5–1%

сы дезактивации поверхностей и уменьшение

Ванна с припоем движется вверх с помощью

висмута. Качество покрытия Sn-Bi оценива-

способности смачивания.

привода и эксцентрика, при этом в нее погру-

лось как по внешнему виду, так и по резуль-

жается исследуемый образец, закрепленный

татам испытаний на способность внешних

Оценка паяемости

на датчике. Датчик тензометрического типа

выводов к пайке при 235 °С и стойкость

внешних выводов корпусов

преобразует усилие в электрический сигнал,

к пайке при 260 °С. В результате исследова-

который через тензометрический усилитель

ний установлено, что наиболее жесткие ис-

Качество паяных соединений во мно-

подается на самописец. Пока образец не на-

пытания на способность внешних выводов

гом зависит от свойств покрытий деталей,

грет, смачивание отсутствует, мениск припоя

к пайке проходят при 235 °С, перед прове-

электронных компонентов и их паяемости.

вогнут вниз, и на образец действует выталки-

дением которых приборы проходят стадию

Паяемость — это способность материала сма-

вающая сила припоя F [6]:

ускоренного старения [7].

60

www.tech e.ru

а

б

в

гихслучаяхпокрытиеолово висмутнесоответ-

ствует своему функциональному назначению,

то есть не обеспечивает паяемость внешних

выводов. Установлены основные причины

брака по паяемости: 10% по причине непол-

ного удаления остатков тонкой пленки облоя

и 90% по причине растрескивания как основы,

так и покрытия в процессе формовки выводов.

Исследования на растровом электронном ми-

кроскопеStereoscan-360 имикрозондовыйрент-

геновскийанализнаустановкеAN10000фирмы

Link (Англия) выявили многочисленные сетки

трещин на формованной части вывода, а также

присутствие элементов основы (Fe, Ni) и их

окислов (рис. 6).

Рис. 7. Зависимость количества брака по паяемости выводов от твердости их основы:

Исследовано влияние механической твер-

1 — 42 H; 2 — БрХ; 3, 4 — 42 H и БрХ (нанесение покрытия после формовки выводов)

дости основы выводной рамки и вариантов

технологического маршрута после гермети-

(рис. 7). Это наиболее характерно для выводов

приводит не только к образованию оксидов

зации приборов на качество функционально-

изматериала42Ни взначительноменьшейсте-

по границе трещин, но и выявляет нарушение

го покрытия олово висмут. Дополнительно

пени — для медного сплава. В результате про-

стехиометрического состава покрытия.

были изготовлены контрольные партии при-

веденного анализа установлено следующее:

Таким образом, для повышения эксплуата-

боров с использованием рамок из материала

1. На бракованных приборах несмачивание

ционной надежности транзисторов в пласт-

42Н и БрХ (хром 0,5%, остальное — Cu), ха-

припоем произошло на нижней поверхно-

массовых корпусах и обеспечения паяемости

рактеризующихся механической твердостью

сти вывода в области его изгиба при фор-

выводов с покрытием олово висмут необходи-

по Виккерсу в пределах 120–210 HV. Зачистка

мовке. На внешней (планарной) поверхно-

мо контролировать механическую твердость

облоя проводилась в водном растворе абра-

сти вывода отмечается смачивание припоем

основы выводов, а их формовку проводить

зива, а формовка выводов осуществлялась

на всех приборах.

до осаждения покрытия.

до и после гальванического осаждения по-

2. Выявлено растрескивание основы вывода

крытия олово висмут.

при его формовке с последующим растре-

Подготовка выводов транзисторов

Испытания на паяемость проводили по ме-

скиванием покрытия олово висмут на ниж-

к пайке

тоду 402-1 ГОСТ 20.57.406-81 погружением

ней поверхности вывода.

в расплав и ускоренным старением изделий

Предварительная термообработка перед ис-

После герметизации полупроводниковых

следующими методами воздействий: водяного

пытаниямитакихприборовприводитк образо-

приборов пресс-материалами на основе фе-

пара в течение 4 ч; повышенной влажности

ванию оксидов, что и способствует ухудшению

нольных, эпоксидных либо кремнийоргани-

в течение 10 суток при температуре (40 ±2) °C

паяемости внешних выводов. Использование

ческих смол на выводах приборов остается

и относительной влажности (93 ±3)%; повы-

основы вывода из материала 42Н с твердо-

тонкий слой пластмассы, называемый облоем.

шенной температуры 155 °C в течение 16 ч.

стью более 160 HV, а для материала БрХ —

Удаление облоя с выводов полупроводниковых

После ускоренного старения изделия выдер-

более 180 HV приводит к растрескиванию

приборов способствует улучшению смачивае-

живали в нормальных климатических услови-

основы и покрытия олово висмут в процессе

мости их припоем при лужении и повышению

ях не менее 2 ч, а затем испытывали выводы

формовки вывода и ухудшению паяемости.

надежности паяного соединения. Очистку вы-

погружением в паяльную ванну с расплавом

Усовершенствование технологического марш-

водов от облоя осуществляют путем химиче-

припоя ПОС 61 при 235 °C и нанесением спир-

рута в части проведения формовки выводов

ской обработки приборов в ванне с N-метил-

токанифольного флюса.

перед процессом гальванического осаждения

2 пироллиденом с добавкой поверхностно-

Установлено, что с увеличением твердости

покрытия олово висмут позволило обеспе-

активноговещества,споследующейпромывкой

основного материала выводной рамки ухудша-

чить паяемость выводов. Ускоренное старение

в воде и сушкой. Недостатком является ис-

ется паяемость покрытия выводов, что ведет

покрытия олово висмут по методу 3 являет-

пользование агрессивных химических реак-

к увеличению числа бракованных изделий

ся наиболее жестким, так как термовыдержка

тивов, а также необходимость проведения до-

www.tech e.ru

61

ко от режима прессования, но и от физических

свойств пресс-материала [8].

В процессе зачистки облоя на отдельных

партиях приборов поверхность корпуса в об-

ласти расположения полупроводникового кри-

сталла защищалась металлической полосой

шириной 5 мм, которая являлась элементом

конструкции технологической кассеты. После

зачистки облоя полупроводниковые приборы

подвергались термообработке, которая позво-

лила осуществить окончательное отверждение

Рис. 8. Защита корпусов транзисторов при абразивной обработке

пластмассы и стабилизацию электрических

параметров приборов. Лужение внешних вы-

полнительных операций промывки и сушки.

Для исключения появления микротрещин

водов выполнялось методом гальванического

Данный способ при массовом производстве

в кристалле полупроводниковых приборов

осаждения сплава олово висмут (1%) толщи-

не позволяет оперативно контролировать про-

во время зачистки облоя, повышения про-

ной 6–12 мкм.

цесс растворения облоя и обладает относитель-

цента выхода годных приборов и их эксплуа-

Отделение полупроводниковых приборов

но невысокой производительностью, что опре-

тационной надежности при циклических из-

от выводной рамки осуществлялось путем

деляется неравномерным по толщине облоем

менениях температуры окружающей среды

обрезки технологических перемычек на прес-

на выводах изделий разных партий. В процессе

предложено проводить зачистку облоя перед

се с усилием 30 000 Н. После контроля элек-

химической обработки происходит также рас-

окончательным отверждением пластмассы,

трических параметров на соответствие тре-

творение поверхностного слоя пластмассового

а поверхность пластмассового корпуса в об-

бованиям установленных норм выявлялись

корпуса и насыщение его агрессивной средой,

ласти расположения полупроводникового

транзисторы, забракованные по «обрывам»,

способной диффузионно проникать в объем

кристалла при зачистке защищать металли-

«коротким замыканиям» и параметрам Н21Э,

корпуса и снижать надежность полупроводни-

ческой полосой (рис. 8).

Iобр., Uкэнас., эти приборы подвергались раз-

ковых приборов из-за развития коррозионных

Металлическая полоса позволяет исклю-

герметизации и тщательному исследованию

процессов.

чить ударное действие абразивного порошка

под микроскопом.

В ряде случаев облой приходится удалять

на пластмассовый корпус в области располо-

Приборы подвергались также воздействию

обработкой на плоскошлифовальном станке.

жения активной структуры, устранить фор-

циклических термических нагрузок в диа-

Такая технология — трудоемкая, требует рас-

мирование микротрещин в объеме полупро-

пазоне температур –60…+150 °С в течение

хода вспомогательных материалов и не обе-

водникового кристалла и тем самым повысить

300циклов.Качествогальваническогопокрытия

спечивает высокого качества очистки выво-

не только выход годных изделий, но и их

олово висмут оценивалось как по внешнему

дов. Для автоматического удаления плотно

надежность. Зачистка облоя производится

виду, так и по результатам испытаний на спо-

сцепленного облоя с поверхности рамок

до окончательного отверждения пластмассы,

собность выводов приборов к пайке при 235 °С

используют их электролитическую и водно-

так как в этом случае удалять облой можно

и стойкость к пайке при 260 °С. Полученные

реактивную обработку на машине АХ-300-2

при малых динамических нагрузках и малом

результаты представлены в таблице.

(RIX Corporation, Япония).

времени воздействия абразивного порошка.

Увеличение времени воздействия абразив-

Более эффективным способом удаления

После удаления облоя изделия подвергают

ного порошка на корпус в процессе зачистки

облоя является обдув корпуса полупровод-

термообработке, что приводит к окончатель-

облоя до 10 с приводит к снижению процента

никового прибора струей сжатого воздуха,

ному отверждению пластмассы и позволяет

выхода годных на 2,8–3,3% и уменьшению

содержащего абразивный порошок с разме-

довести ее до максимальной плотности, благо-

устойчивости к термоциклическим нагрузкам.

ром зерен 0,5–1 мм из синтетических материа-

даря чему уменьшается влагопроницаемость

Причиной этого является появление микро-

лов, помола твердых зерен и мякоти плодов,

и влагопоглощение, уменьшается подвиж-

трещин в полупроводниковом кристалле,

стеклянные шарики, а также смеси этих ма-

ность ионов примеси, а также возрастает ее

которые зарождаются в области эвтектики

териалов [7]. Полупроводниковые приборы

твердость и механическая прочность.

золото-кремний и могут достигать активной

подвергают обдуву струями в герметической

Герметизацияпартиитранзисторовразмером

области структуры.

камере, содержащей распылительные сопла.

500 шт. в пластмассовом корпусе типа D-Pak

В течение рабочего цикла вся поверхность

выполнялась пресс-материалом MG-40FR ме-

Выводы

корпуса обрабатываемого изделия оказыва-

тодом трансферного литья с применением

ется в зоне действия сопел, одни из которых

многоместных пресс-форм при температуре

Таким образом, наиболее эффективным

распыляют порошок снизу, а другие — сверху,

170…175 °C в течение 2 минут. Зачистка облоя

способом подготовки внешних выводов при-

с независимым регулированием давления

осуществлялась путем обдува корпусов при-

боров является зачистка облоя после герме-

струи от 0,4 до 0,9 МПа.

боров струей сжатого воздуха под давлением

тизации обдувом струями сжатого воздуха,

Недостатком абразивного способа зачист-

0,5–0,6 МПа, содержащего абразивный поро-

содержащим абразивный порошок размером

ки облоя является то, что из-за ударного

шок с размером зерна 0,5–0,8 мм, через распы-

0,5–0,8 мм, перед окончательным отвержде-

действия твердых частиц абразива в объеме

лительныесопла,располагаемыеснизуисверху

нием пластмассы с одновременной защитой

корпуса возникают напряжения упругой

относительно пластмассового корпуса. Время

поверхности полупроводникового кристалла

деформации, они тем больше, чем больше

зачистки облоя составляло 1–5 с, которое опре-

металлическим экраном. Это снижает до ми-

отверждена пластмасса. Эти напряжения вы-

делялось толщиной облоя, зависящего не толь-

нимума брак вследствие исключения микро-

зывают появление микротрещин в полупро-

водниковом кристалле как в менее упругом

Таблица. Результаты испытаний приборов

элементе системы. Это приводит к снижению

Время

Выход

Количество приборов

Количество отказов

процента выхода годных за счет деградации

Способ зачистки облоя

зачистки,

годных

с трещинами

после термо-

электрических параметров, формированию

с

приборов, %

в кристалле, шт.

циклирования, %

1

93,2

1,1

2,0

потенциально ненадежных полупроводни-

Без защиты поверхности

5

86,7

4,3

9,1

ковых приборов в процессе зачистки облоя,

пластмассового корпуса

10

70,5

17,2

30,5

а также к снижению их эксплуатационной на-

Зачистка облоя струей абразивного порошка

1

98,0

0

0

дежности при циклических изменениях тем-

перед отверждением пластмассы

5

97,2

0

0,55

пературы окружающей среды.

и с защитой корпуса

10

95,7

0

0,95

62

www.tech e.ru