Общие требования к процессу и режимам пайки

Как было отмечено выше, при ПМ пайка занимает важное место, так как оказывает большое влияние на основные параметры этой тех­нологии, в частности на качество и стоимость конечной продукции.

Известно, что в общем случае долговечность паяного соеди­нения зависит от его способности сопротивляться без разрушения при повторных напряжениях, возникающих в процессе испыта­ний готовых изделий.

Если в традиционном монтаже в отверстия качество паяного со­единения обеспечивается также и механическим креплением выводов ЭРЭ, то при ПМ под высоким качеством пайки следует понимать, прежде всего получение «упругих» мест пайки (рис.7.1), в которых высота гантели припоя на торцах и выводах компонентов не должна превышать 2/3 высоты корпуса.

Избыток припоя будет способство­вать также смещению компонента во время пайки из-за возникающих результирующих моментов, схема которых показана на рис. 7.2. По­этому важным требованием, предъявляемым к процессу пайки, явля­ется обеспечение упругих паяных соединений и их повторяемости в технологических циклах производства ПМ-изделий.

Рис.7.1. Виды паяных соединений ПМ-компонентов

Рис. 7.2. Моменты сил, возникающие при неупругом и упругом соединении: а - неупругое соединение; б — упругое соединение

Рис. 7.3. Типовой температурно-временной профиль процесса пайки в парогазо­вой фазе.

Проведенные рядом фирм исследования позволили устано­вить соотношения между размерами контактной площадки и объ­емом припойной пасты, обеспечивающие образование упругой формы соединения.

Повторяемость же результатов пайки зависит от стабильности технологических режимов пайки, конструктивных размеров элементов монтажа, свойств применяемых материалов.

Значительное влияние на качество пайки оказывает температурно-временной профиль процесса. Как видно из рис. 7.3–7.5, основные методы оплавления припоя (в парогазовой фазе, ИК-нагрев и обдувом нагретым воздухом (принудительной конвекцией)) обеспечивают различные температурно-временные диаграммы нагрева. Поэтому температурно-временной профиль процесса пайки должен быть обоснованно определен (исходя из конструк­тивных особенностей ПМ-изделия, применяемых материалов и др.) до выбора метода и оборудования для пайки.

Рис.7.4. Типовой температурно-временной профиль процесса ИК-пайки

Рис. 7.5. Типовой температурно-временной профиль процесса пайки принуди­тельной конвекцией

Как видно из приведенных зависимостей, в общем случае процесс оплавления припоя можно разделить на три фазы: пред­варительный нагрев, оплавление и охлаждение. Фаза предвари­тельного нагрева создает благоприятные предпосылки для каче­ственного оплавления припоя. В частности, во время этой фазы происходит равномерный нагрев до требуемой температуры пла­ты и компонентов, испарение растворителя из припойной пасты, удаление оксидных пленок за счет действия флюса и расплавле­ние частиц припойной пасты. Непосредственно фаза оплавления припоя протекает при температуре, превышающей температуру плавления применяемого сплава, что обеспечивает снижение сил поверхностного натяжения припоя, увеличение смачиваемости соединяемых поверхностей. Время выдержки изделия при этой температуре оказывает существенное влияние на качество пайки. Длительность и температурный профиль фазы охлаждения также влияют на свойства паяного соединения, в частности, на этой фа­зе формируются требуемая зёренная структура сплава (должна формироваться мелкозернистая структура) и уровень остаточных напряжений. Рекомендуемый режим охлаждения — 1-2 °С/с, хотя могут применяться охлаждения со скоростями до 5 °С/с.

На выбор температурно-временного профиля пайки оказыва­ет влияние и материал платы. В частности, высокоскоростной нагрев может привести к появлению трещин в слоистом материа­ле платы и отслоению металлизации. Необходимо учитывать так­же и допустимую температуру нагрева материала, выше которой происходит резкое изменение его свойств, в частности, материал становится пла­стичным и сама плата теряет жесткость. Для каждого материала эта температура известна (для стеклоэпоксида — 120-130 °С) и является основой для выбора температурно-временного профиля. Установлено, что значительного изменения свойств материала не наблюдается при превышении этой температуры в течение 120 с.

Температурно-временной профиль процесса пайки оказывает также влияние на действие флюса. В этом отношении необходимо учитывать две характеристики: температуру активации флюса и время, необходимое для активации флюса. Флюс должен быть активированным в течение времени, достаточного для растворе­ния оксидных пленок с контактных площадок, выводов компо­нентов и припойной пасты. В идеале эти процессы должны за­вершиться до начала полного расплавления припоя. Установлено, что для большинства применяемых флюсов температура актива­ции составляет 110-120 °С, требуемое время активированного состояния от 30 до 90 c.

При основной фазе плавления температура нагрева припоя должна на 25-40 °С в течение 20—60 с превышать температуру плавления. Это, как отмечалось выше, обеспечивает качественное смачивание поверхностей соединяемых деталей. При выборе температурно-временного профиля необходимо учитывать также и допустимые температуры нагрева компонен­тов, особенно активных. Большинство таких компонентов могут подвергаться без разрушений воздействию температур 210-220 °С в течение 20-60 с. Более точные допустимые температурные воз­действия должны оговариваться в технических условиях на ком­поненты.

Критичны к высокоскоростным тепловым воздействиям и ПМ-конденсаторы, в которых тепловой удар может вызвать появ­ление трещин и отслоение металлизации. Рекомендуемая ско­рость изменения температуры при пайке конденсаторов составля­ет не более 2 °С/с. Хотя уже имеются конструкции, выдерживающие без разрушения нагрев/охлаждение со скоростью 3-6°С/с.

Высокоскоростной нагрев может вызвать и разрушение кор­пусов ИМС, в частности, из-за расширения и выделения содер­жащейся в материале влаги. Для предотвращения этого явления применяется тщательная предварительная очистка и сушка кор­пусов.

Важное значение для выбора времени активации флюса имеет качество очистки от загрязнений и оксидных пленок выводов компо­нентов.

Пайка с использованием волн припоя (ПВП).

ПВП одной из первых применялась на ранних стадиях появления ТПМ и в основном при реа­лизации смешанных вариантов сборки и монтажа изделий. На практике было установлено, что качество паяных соединений в значительной степени определяется геометриче­скими размерами волны, скоростью истечения и другими ее характери­стиками. В первых образцах оборудования для ПВП использо­валась симметричная волна, при этом расплавленный припой распро­странялся горизонтально вдоль платы, что приводило к образованию в процессе пайки множества дефектов (наплывы припоя, непропаи, не­равномерное смачивание припоем мест контактирования и др.). Созда­ние однородного управляемого вертикального потока асимметричной волны позволило значительно улучшить качество пайки. Но по мере повышения плотности монтажа возрастает и вероятность возникновения перемычек между проводниками при пайке, так называемое "шунтирование элементов". Для избежания этого сразу после ПВП, когда припой еще находится в расплавленном состоянии, стали применять специальный дешунтирующий нож, направляющий струю горячего инертного газа в место пайки с целью удаления излишков припоя. В настоящее время такое приспособление (а иногда и несколько приспо­соблений) используют для разнообразных очисток плат после ПВП.

Совершенствование оборудования и приспособлений (в частности сопел) для ПВП способствовало получению управляемой селективной высокоскоростной волны припоя (скорость движения 90 см/с), которая не оставляла перемычек между проводниками, расположенными с про­межутками 0,2 - 0,3 мм. В этом случае волна формировалась с помощью специальной щели и магнитного поля, направленного вертикально по отношению к поверхности припоя, поэтому амплитуда волны, а следо­вательно, и высота пайки регулировались автоматически.

Однако при увеличении плотности и разнообразия размещения ПМК типичными дефектами ПВП становятся непропаи (вследствие эк­ранирования корпусом компонента места пайки и передозировки припоя (рис.7.6)). Выделение газообразных продуктов взаимодействия флюса с припоем и паяемыми материалами также ухудшает качество пайки (га­зообразные продукты могут захватываться волной и в дальнейшем по­падать в места паек, образуя раковины и непропаи, а также препятствуя равномерному дозированию припоя). Поэтому преобладающей становится ПДВП (рис.2) с регулируемыми скоростью истечения припоя, амплитудой и шириной волн, температурно-временным режи­мом, составом и уровнем припоя в ванне, а также скоростью движения конвейера. Параметры волн подбираются таким образом, чтобы первая волна (узкая, высокая, скоростная и турбулентная) обеспечивала полную смачиваемость припоем всех монтируемых соединений на пла­те, а вторая (финишная, широкая, низкая, ламинарная, с малой скоро­стью истечения) удаляла излишки припоя, вынося их в общий поток (рис.7.7,а) и предотвращая наплывы и затекания припоя. Наклон конвейерной ленты с монтируемыми изделиями под углом 7-10° обес­печивает лучшее смачивание припоем мест пайки. На рис.7.7–7.6 приведен рекомендуемый температурно-временной режим всего цикла микроконтактирования.

При полном переходе к ТПМ ПДВП представляется малоэффек­тивной, особенно в случае монтажа компонентов с I-, J-образными и планарными выводами корпусов (при шаге выводов менее 1,0 мм), а также безвыводных кристаллодержателей. Кроме того, для всех раз­новидностей волновых паек качество паяных соединений зависит от размеров и конфигурации контактных площадок, на которых осуществляется пайка, что следует учитывать при проектировании. Для улучшения качества ПДВП рекомендуется:

Рис.7.6.Типичные дефекты пайки волной припоя: а - непропаи из-за эффекта ''затенения"; б - передозировка припоя из-за неоптимального проектирования КП. 1 - направление движения фронта волны припоя; 2 - КП; 3 - компонент типа SO; 4 - клеевая капля, фиксирующая компонент; 5 - направление движения КП; 6 - чип-компонент; 7 - наплывы избыточного припоя, 8 - перемычка избыточного припоя, замыкающая компоненты

Рис.7.7.Схема реализации процесса пайки двойной волной припоя (а) и ее типичный температурно-временной режим (б): I - турбулентная, скоростная. узкая. высокая первая волна припоя: 2 - ламинарная, плавная, широкая, низкая вторая волна припоя; 3 - КП; 4 - ТМК: 5 - ПМК: 6 - дешуитирующий нож; 7 - струя горячего инертного газа: 8 - направление движения КП; 9 - подача припоя; I - этап предварительного нагрева; II - этап окончательного нагрева: III - этап пайки: IV - этап охлаждения

Рис. 8. Технологические рекомендации по проектированию знакомест ИС (а) и ориентации ПМК (б) на КП для пайки двойной волной припоя: 1 - знакоместо корпуса типа SOIC; 2 - технологические контактные площадки. (ловушки припоя); 3 - направление движения фронта волны припоя; 4 - КП; 5 - направление движения КП; 6 - корпус типа SOIC; 7 - корпус типа PLCC;8 - корпус типа SOT;9 - чип-компонент

- использовать предварительный подогрев при температуре 80-130 °С
(уменьшает термоудар монтируемого изделия и устраняет разбрызгивания
припоя);

- применять автоматизированные модули пайки со встроенным
дешунтирующим ножом и средствами контроля необходимых парамет­ров;

- тщательно подбирать параметры технологической среды, особенно для первой волны припоя с учетом типа и количества выводов ПМК;

- для улучшения смачиваемости паяемых соединений припоем, флюсование следует выполнять с применением смеси флюса с изопропанолом;

- для уменьшения шлакообразования и снижения поверхностного натяжения припоя во время пайки в ванну с припоем можно добавлять специальные масла (пальмовое и др.) либо мраморные шарики (диамет­ром не более 20 мм), однако их содержание должно быть строго контро­лируемым;

- на этапе разработки КП учитывать специальные правила проек­тирования для ПДВП: на КП должны быть, технологические отверстия для отвода газообразных продуктов пайки, а также технологические площадки (ловушки припоя) в конце знакоместа, "затягивающие на себя" излишки припоя (рис.8,а); длина контактных площадок, высту­пающих за пределы выводов ПМК, должна быть минимальной во избе­жание растеканий припоя между выводами; должно быть предусмотре­но конформное покрытие; размещение ПМК по отношению к движу­щейся волне должно соответствовать указанному на рис.8,6;

- каждая волна должна иметь отдельные сопла, насос и блок управ­ления, а также средства контроля ее параметров;

- для снижения растворимости материалов выводов ПМК и контакт­ных площадок КП припоем в ванну следует добавлять 1 - 2 % меди, если материалы выводов ПМК не содержат никелевый барьерный слой.

Дата добавления: 2015-08-17