Технология применяющая поверхностный монтаж электронных компонентов родилась еще в 60-х годах прошлого века. Благодаря ее внедрению, компании IBM удалось существенно уменьшить размеры производимых устройств. Это способствовало ее стремительному развитию, а также повсеместному распространению.
Однако миниатюризация компонентов не только уменьшила габариты электронных устройств, но и отразилась на общем качестве производства. Снижение веса элементов, уменьшение толщины платы, а также размещенных на ней дорожек привело к росту образующихся дефектов. Для его устранения потребовались не только новое высокоточное оборудование, но также и разработка новых материалов. В том числе и паяльных составов.
Время чтения: 8 минут
Дефекты при пайке: причины и способы устранения
Дефекты, проявляющиеся при выполнении паяльных работ, вызывают критические нарушения на производстве. Они снижают его эффективность, увеличивают трудовые и временны́е затраты, а также уменьшают общую надёжность конечного продукта.
На этапе пайки может возникнуть множество дефектов: образование перемычек, непропай, затекание припоя, отслоение контактных площадок, разрушение самих элементов, а также множество других.
Для их устранения технологи применяют множество технологических решений от корректировки термопрофиля до совершенствования состава паяльной пасты.
«Надгробный камень»
Наиболее любопытный дефект – это образование «надгробного камня». Дефект проявляется в виде подъёма элемента на ребро, что напоминает надгробную стелу. В некоторых случаях подъем может быть неполным, то есть одна из сторон лишь немного приподнимается, но это не умаляет проблем, возникающих при этом.
Причины
На проявление эффекта влияют несколько факторов: компоненты и печатная плата, технологический процесс, а также характеристики паяльной пасты.
Влияние компонентов и платы
В качестве основной причины можно выделить плохую паяемость контактов. Неэффективная смачиваемость поверхностей ухудшает прилипание на одной из площадок, что ведет к разрыву соединения.
Другая причина – неверный подбор элементов по размеру. При несоответствии линейных размеров элементов расстоянию между контактными площадками или их размером возникают чрезмерные усилия со стороны припоя. Они могут иметь как продольное, так и скручивающее направление.
Третий фактор – неравномерное распределение тепловой энергии по поверхности печатной платы (PCB, от англ. printed circuit board). Загораживание нагреваемых контактных площадок другими элементами приводит к тому, что припой оплавляется неравномерно. Это приводит к тому, что более оплавленный контакт «перетягивает» электронный компонент на себя.
Технологическое влияние
Нарушение технологии пайки – частая причина вызывающая появления самых разнообразных дефектов. Одна из причин – это ошибки при нанесении пасты для трафаретной печати. Это может быть: смещение трафарета, не полный перенос, а также ряд других.
Другая причина – размещение компонентов со смещением. Это явление может возникать из-за отсутствия калибровки SMD установщика, ошибок в ее программе, а также из-за слишком высокой скорости выкладки.
Третья – это неверно подобранный режим нагрева. Зачастую это неверные температурные границы, а также слишком короткое время третьей зоны термопрофиля.
Влияние припоя
Качество, а также физико-химические свойства пасты, используемой в пайке СМД компонентов, оказывает не последнее влияние на образование качественного паяного соединения. Она должна обладать достаточной липкостью, иметь определенную скорость оплавления, а также хорошую смачиваемость. На все эти параметры прямое влияние оказывает ее консистенция.
Паяльные пасты
Ранее повсеместно применялась пайка омыванием контактов расплавом оловянно-свинцового припоя. Однако такая технология сопряжена с риском перегрева платы, что может привести к ее повреждению. К тому же такой способ пайки не подходит для SMT-технологии.
Для этой технологии нужен пластичный низкотемпературный припой, который легко бы наносился на контакты. Изобретение низкотемпературной паяльной пасты позволило существенно ускорить производственные процессы, а также продолжить дальнейшую миниатюризацию компонентов и уменьшить минимальный шаг выводов.
Состав паяльных паст
Все применяемые пасты для лужения приблизительно схожи. Любая паста состоит из двух основных составляющих: небольшого размера частиц припоя, а также флюса. Флюс должен повышать текучесть, способствовать удалению, а также препятствовать дальнейшему образованию окислов.
В состав флюса для пайки включают галогенсодержащии соединения либо органические кислоты. Безгалогенные флюсы относятся к инертным. Минимальное содержание и сниженная активность позволяет им практически полностью расходоваться в процессе пайки. Такие составы называют безотмывочными пастами.
Конечное соединение создается расплавляемыми частицами порошка припоя. При этом важны не только финальная прочность и пластичность соединения, но и его поведение в процессе нагрева, а также такие характеристики, как температуры солидуса и ликвидуса.
На температуру плавления паяльной пасты, а также кристаллизацию влияет концентрация входящих в нее элементов. Эти смеси включают несколько металлов, все они имеют различные точки плавления и кристаллизации. В процессе нагрева происходит поочередное плавление металлов, от менее тугоплавкого к более тугоплавкому.
За температуру ликвидуса (лат. Liquidus – жидкость) принята граница, при которой все металлы входящие в припой переходят в жидкое состояние. В противовес этому показателю – граница полной кристаллизации расплава. Её называют температурой солидуса (лат. Solidus – твердый).
Проблема малого веса
Переход на миниатюрные компоненты 0402, а также 0201 привел к резкому росту образования «надгробных камней». Корректировка термопрофиля не принесла существенных улучшений. Проанализировав поведение элементов, выяснилось, что причина этому – узкий температурный диапазон между ликвидусом и солидусом. Из-за быстрой смены агрегатного состояния не получалось добиться относительно одинакового изменения поверхностного натяжения на всех участках пайки. Как следствие, это приводило к неравномерному распределению механических усилий, создаваемых на концах элемента.
Совершенствование состава
Для расширения температурного окна потребовалась разработка совершенно новой паяльной пасты. Помимо, классически включенных свинца и олова, необходима была добавка, расширяющая границы между полным плавлением и кристаллизацией. Этим исследованием занялись специалисты компании Indium Corp.
В качестве добавки рассматривались такие химические элементы, как висмут (Bi), германий (Ge), индий (In), медь (Cu), серебро (Ag), сурьма (Sb), а также цинк (Zn). В результате проведенных опытных исследований высинилось, что набольший положительный эффект оказало добавление серебра. Дальнейшим стало определение оптимального соотношения, которое оказалось следующим: 0,3…0,4% серебра, 62…64% олова и 36…38% свинца.
В итоге специалистами удалось расширить разницу температур почти до 7 градусов, что уменьшило частоту подъема элементов до 0,3%.
Преимущества модернизированного состава
Помимо, расширения температурного окна ликвидус-солидус паста получила некоторые дополнительные преимущества:
- хорошую смачиваемость поверхностей с высокой окисленностью;
- высокую паяемость контактов;
- хорошую заполняемость апертур в трафарете;
- снижение стоимости, по сравнению с припоями, содержащими 2% серебра.
Основы качественной пайки
Большое разнообразие паяльных паст позволяет выбрать именно тот состав, который больше всего подходит для решения тех или иных задач. Специалистами разработаны паяльные пасты для использования различных технологических приемов: трафаретная печать, ручное, а также автоматическое машинное нанесения. Также на выбор влияет используемый термопрофиль, а также тип применяемого для оплавления оборудования.
Правильный выбор, а также учет всех технологических особенностей позволит избежать не только проявления эффекта «надгробного камня», но также и многих других дефектов пайки smd компонентов. Это обеспечит высокое качество производства, надежность и конкурентоспособность выпускаемого продукта.
