Безсвинцовые технологии

ПОКРЫТИЯ КОМПОНЕНТОВ Компоненты - наиболее слабое звено в бессвинцовой пайке. Вся масса компонентов, находящаяся сегодня в обращении на рынке, предназначена для пайки SnPb-припоями. Первые компоненты для бессвинцовой пайки поступили в продажу в 2000 г. Они имели следующие покрытия для пайки: Sn, SnCu и SnBi. Но для бессвинцовой пайки стандарты на покрытия компонентов до сих пор отсутствуют, поэтому фирмы, выпускающие отдельные партии компонентов для бессвинцовой пайки, действуют на свой страх и риск.

Существует несколько  типов компонентов, реагирующих  на условия пайки по-разному в  зависимости от конструкции: - дискретные компоненты, такие как чип-резисторы; - SMT-компоненты, такие как PQFP; - корпуса с шариковыми выводами, такие как BGA-компоненты; - компоненты с выводами для пайки в отверстия, такие как DIP-компоненты.

Лидирующие на текущий  момент покрытия компонентов для  бессвинцовой пайки: - матовое гальваническое олово для дискретных компонентов; - матовое гальваническое олово для SMT-компонентов с коротким жизненным  циклом (5 лет и менее); - матовое  гальваническое олово с никелевым  подслоем для долгоживущих компонентов (более 5 лет); - Sn4Ag0,5Cu для шариковых  выводов BGA; - гальваническое олово или  лужение выводов компонентов  с выводами для пайки в отверстия.

МАТЕРИАЛЫ КОРПУСОВ КОМПОНЕНТОВ  Высокие температуры пайки приводят к необходимости требовать от компонентов успешного прохождения испытаний на термоудар, который происходит при погружении в припой на 10 с при температуре 260°С или на 5 с при температуре 280°С. Корпуса не должны взрываться (эффект "попкорн"), деформироваться, обесцвечиваться или подплавляться. Пластмассы с высокой термостойкостью дороже прежних, используемых для SnPb-пайки, и сорбирующих влагу. Объем сорбированной влаги зависит от гигроскопичности материала и конструкции корпуса. Сорбированная влага при резком нагреве быстро превращается в пар. Давление пара вызывает вздутие (эффект "попкорн"), разрывы, трещины. Даже если пластмассы не трещат, они могут расслаиваться внутри корпуса. Диффузия влаги в объем компаунда пропорциональна температуре и относительной влажности среды. Полное равновесие с внешней средой наступает тем раньше, чем меньше объем корпуса.

Испытания компонентов на термоудар проводят в три стадии: - предварительный нагрев для полного  удаления остаточной влаги из объема корпуса; - контролируемое увлажнение корпуса в заданных температурновлажностных  условиях; - термоудар, имитирующий  процесс пайки.

Поглощение влаги  и сушка печатных плат Все базовые материалы гидроскопичны, однако это качество зависит от типа материала. Материалы FR4 без галогенов и с высокой температурой стеклования обладают повышенной гидроскопичиостью. Зачастую это является причиной отказа печатных плат в процессе изготовления электронных узлов при более высокой температуре пайки. При повышении температуры в процессе пайки в материале экспоненциально увеличивается давление пара поглощенной влаги, что ведет к дефектам, подобным при большом температурном расширении в направлении ocи Z. Свойство гидроскопичности базового материала способствует поглощению молекул воды из окружающей среды поверхностью печатной платы, которые в дальнейшем диффундируют в базовый материал. Уже после суток хранения при температуре 40 "С и относительной влажности воздуха 92% достигается критическое значение содержания влаги 0,2% по весу. Кривая асимптотически поднимается: после 25 дней значение содержания влаги составляет 0,5% по весу, а после 150 дней — 0,6%. При обсуждении данного вопроса с экспертами было установлено, что 1/3 данного значения влажности уже изначально содержится в поступающих печатных платах, в очень короткий срок влажность достигает значения 2/3, остальная влажность накапливается в течение длительного срока хранения.

Строго рекомендуется  проводить сушку печатных плат перед высокотемпературной обработкой. Например, пайкой припоями SnAgCu и SnCu. Особенно это касается многослойных печатных плат. После сушки необходимо без задержки переходить к процессу изготовления, так как уровень влажности уже через несколько дней достигает значения до сушки.

Для эффективного процесса сушки необходимо, чтобы верхняя и нижняя стороны платы не содержали сплошных медных слоев, так как в данном случае влага не может быть удалена. Рекомендуется растрирование медной поверхности.

Бессвинцовая  пайка оплавлением

Для высоких пиковых температур пайки возможно понадобится изменить и оптимизировать как оборудование, так и параметры процесса, такие, как кривая плавления для каждого  конкретного сплава.

Для большинства применений, использующих стандартные компоненты и печатные платы, было определено, что с введением лучшего контроля за процессом пайки, пиковая температура  пайки должна быть выше только на 15…20°С температуры плавления припоя.

Поддержание температуры  плавления как можно более  низкой позволяет уменьшить нагрузки, которым подвергаются печатные платы  и установленные на них компоненты. Уход от чрезмерных температур также  помогает уменьшить интерметаллические образования, особенно в паяных соединениях, подвергаемых более чем одному циклу пайки. Температурное профилирование необходимо для определения оптимальной кривой плавления, особенно в случаях сложных печатных плат.

Основной вклад в оптимальную  кривую плавления вносят размер и  вес сборки, плотность компоновки, соотношение больших и малых  элементов, а также тип используемой паяльной пасты. Кривая плавления должна также оптимизироваться для каждого  выбранного сплава.

Условия пайки также должны быть оптимизированы для комбинации типа сборки, паяльной пасты и прочих ограничений, связанных с используемыми  материалами. (слайд 11) Безсвинцовые компоненты могут паяться конвекционно, но многие проблемы могут быть решены применением современных печей с принудительной конвекцией и большим количеством нагретых зон с более точным контролем над процессом плавления.

Печи с атмосферой азота  показывают лучшие результаты по смачиваемости  при более низких пиковых температурах, при этом позволяя получить более  низкий градиент температур по сечению  платы, что, несомненно, является преимуществом  в случае двухсторонней сборки. Вследствие использования более высокой  температуры при пайке бессвинцовым припоем в отдельных случаях  платы больше подвержены короблению в ходе пайки. Впрочем, эта проблема может быть решена использованием конвейера  с поддержкой центральной части  плат.

Пайка волной

Ключевым требованием  для формирования высококачественного  паяного соединения в процессе пайки  волной является правильная комбинация флюса, нагрева и припоя. Критические  переменные включают нанесение флюса, подогрев, температура припоя и время  воздействия припоя.

В случае условий волновой пайки, не оптимизированных под конкретный тип платы и сплав припоя, могут  создаться условия для множества  дефектов. Среди прочих возможно образование  перемычек между контактными  площадками, пайка с излишками  припоя. Платы могут также коробиться.

Феномен, известный как  отслаивание контакта, наблюдался в  бессвинцовых сборках, впрочем это  не приводит к каким-либо значительным отказам. Могут иметь место другие проблемы, включая отслаивание контактных площадок и разрыв соединений.

Использование разных типов  припоев приводит к возможности  нежелательного загрязнения тигля, приводящего к композиционным изменениям состава припоя. Увеличение содержания меди в припое приведет к интерметаллическим образованиям, уровень которых увеличивается  с увеличением температуры пайки.

Со временем концентрация меди может достичь 2%, что приведет к дендритной кристаллизации, возникающие  при этом оловянно-медные образования  оседают на дне тигля, затрудняя  смену припоя. Как только концентрация меди превысит 1,55%, целесообразно слить  припой, заменив его новым. Тип  гальванического покрытия контактов  печатных плат также оказывает влияние  на уровень растворения меди в  ванне с припоем, и применение никелирования может иметь положительный  эффект.

Безсвинцовые припои не смачивают  паяемую поверхность так эффективно, как оловянно-свинцовые эвтектические  припои, поэтому требуются большее  время воздействия припоя и большая  температура тигля. Впрочем, применение атмосферы азота может значительно улучшить смачиваемость, позволяя снизить температуру тигля при пайке бессвинцовым припоем, не ухудшая свойства пайки.

Ручная пайка

Как правило, ручная пайка  обычно выполняется ближе к концу  процесса сборки. Обычно к этому  моменту большая часть элементов  установлена, а значит, правильно  налаженный процесс безсвинцовой пайки  необходим для того, чтобы избежать дорогостоящих ошибок.

Обучение операторов и  контроль за процессом ручной пайки  может оказывать решающее влияние  на уменьшение стоимости производства и увеличение производительности. Операторы  должны быть поставлены в известность, что бессвинцовые припои плавятся при  более высоких температурах и  паяются иначе, чем обычные оловянно-свинцовые  припои. Простое увеличение температуры  паяльника при переходе на безсвинцовую пайку может лишь частично решить вопрос качественного паяного соединения. Лучший вариант - увеличенная продолжительность  контакта.

Форма и состояние наконечника, а также мощность паяльника и  продолжительность нагрева соединения также должны учитываться. Потребуется  более частая замена наконечников паяльника  из-за того, что припои с высоким  содержанием олова разрушают  покрытие жала, служащее защитой от растворения медного основания, а также из-за высоких температур и более агрессивных флюсов.