Учебник по Технологии

Теплопроводный нагрев

Это − наиболее простой метод. Заключается в том, что плата, помещенная на транспортерную ленту, последовательно проходит через два нагревателя. Первый служит для смягчения теплового удара, возникающего при нагреве. Второй нагреватель доводит разогретую плату до температуры плавления припоя. Режим разогрева и пайки плат устанавливается путем регулирования температуры нагревателей и регулирования скорости движения транспортерной ленты.

Инфракрасный нагрев

Инфракрасное оплавление – другой метод, обычно используемый в промышленности. Так как он не зависит от теплопроводности материала подложки, то его можно применять не только для пайки плоских подложек. В инфракрасной системе используют один из трех типов эмиттеров:

∙вольфрамокатодные лампы прямого накала;

∙нихромосплавные кварцевые лампы;

∙пространственно распределенные эмиттеры.

Вольфрамокатодные лампы прямого накала

Вольфрамовый нитевидный эмиттер только частично подходит для процесса пайки припоя. Дело в том, что температура нити накала равна 2246 °С, что гораздо выше температуры плавления оловянно-свинцового припоя. При более низкой температуре нити накала лампа работает неэффективно. Поэтому при неправильной регулировке лампы плата может быть повреждена.

Другая проблема в селективности нагревания различающихся по цвету участков платы. В околоинфракрасном диапазоне длин волн генерируемое инфракрасными лампами излучение отражается от проводников и поглощается более темной смолой плат. Могут перегреваться также и компоненты, имеющие темные участки, что может привести к выходу их из строя.

И последняя сложность заключается в том, что инфракрасное излучение обладает малой проникающей способностью, в результате большие компоненты могут затенять некоторые места, что делает невозможной пайку в этих местах.

330

Нихромосплавные кварцевые лампы

Нихромосплавные кварцевые лампы являются более совершенными по сравнению с вольфрамовыми лампами. Этот тип источника эффективно функционирует в диапазоне температур от 500 до 1100 °С. Нихромосплавные источники имеют меньшую цветовую селективность по сравнению с вольфрамовыми, так как они имеют более низкую температуру нити накаливания, а также потому, что часть энергии (около 10 %) передается путем конвекции. Из-за наличия конвекции меньшее значение имеет неравномерность нагрева, вызванная затемнением части плат крупными компонентами.

Пространственно распределенные эмиттеры

Нагреватели на основе пространственно распределенных эмиттеров менее всего подвержены влиянию цветовой селективности. Эмиттер представляет собой резистивный элемент, размещенный на керамическом цоколе. Причем цоколь обладает способностью отражать ИК-лучи. До 40 % теплоты в таком устройстве переносится за счет конвекции, этим объясняется низкая цветовая селективность.

Пространственно распределенные эмиттеры могут разрабатываться для нагрева до 800 °С, но обычно они используются при температурах от 200 до 400 °С. К недостаткам таких систем можно отнести значительное время, требуемое для перехода от одного температурного режима к другому. Из-за того, что значительная часть тепловой энергии переносится за счет тепловой конвекции, может потребоваться 20 мин для стабилизации системы в отличном тепловом режиме. В типичных системах, построенных на основе пространственно распределенных эмиттеров для формирования теплового профиля, применяются от 4 до 7 независимых зон.

Пайка в паровой фазе

Разработка этого метода пайки была вызвана необходимостью избавиться от недостатков, присущих методам, связанным с ИК-излучением и конвекцией. Принцип пайки в паровой фазе состоит в том, что плата с размещенными на ней компонентами погружается в пары кипящей длинномолекулярной гидрокарбонатной жидкости. Температура кипения этой жидкости составляет приблизительно 215 °С, что выше температуры плавления припоя. Таким образом, при взаимодействии паров с поверхностью платы проис-

331

ходит оплавление припоя. Жидкость, применяемая в этом методе, чрезвычайно дорога (от 125 до 180 долл. за 1 л). Поэтому при разработке производственного оборудования и в процессе производства следует предпринимать все меры, способные сократить расход этой жидкости при оплавлении плат. Наиболее эффективной мерой является использование вторичной жидкости, кипящей при более низкой температуре. Испарения вторичной жидкости образуют оболочку над парами первичной жидкости, препятствуя тем самым их потере. Установки, использующие для оплавления паровую фазу, делятся на два типа: по способу загрузки плат в зону оплавления – установки, работающие в пакетном режиме, и установки, работающие в непрерывном режиме подачи плат.

Пакетный режим

Пакетный режим представляет собой способ пайки плат в паровой фазе. При этом подготовленные платы помещаются в «корзину», которая затем помещается в зону оплавления, образованную парами кипящей жидкости. Контролируя температуру жидкости, можно управлять режимом нагрева плат. Это важно в случаях, когда компоненты плат и сами платы боятся термоударов. Основной недостаток метода в том, что при помещении и особенно при последующем извлечении «корзины» с платами из зоны нагрева происходит потеря жидкости в виде паров, вырывающихся в окружающую среду. Помимо потерь дорогостоящей жидкости, происходит попадание в атмосферу углеродистых и других токсичных соединений, что представляет угрозу окружающей среде. Кроме того, при нагреве жидкости до температуры разложения (что может произойти при аварийной ситуации в системе) происходит выброс еще более токсичных веществ. Этого недостатка пытаются избежать, конструируя установки с двойными камерами – основной и предварительной. В основной происходит непосредственное оплавление парами, а предварительная камера служит для предварительной и заключительной выдержки «корзины» с целью уменьшения потерь паров дорогостоящей жидкости при извлечении «корзины» из установки. Пакетный режим наиболее подходит для массового производства одинаковых плат.

Непрерывный режим

При непрерывном режиме платы располагаются друг за другом на движущейся конвейерной ленте и последовательно проходят

332

через зоны оплавления. Непрерывная система обеспечивает более высокую производительность. Но в этих системах сильно затруднен процесс контроля и управления оплавлением по сравнению с пакетным режимом, где для каждой «корзины» можно задать свои условия оплавления. Для обеспечения необходимого теплового профиля вводятся входные и выходные нагреватели.

Вторым недостатком является то, что платы располагаются на конвейерной ленте в наклонном состоянии, что необходимо для скатывания с плат конденсата жидкости. Однако угла наклона в 5–10 ° оказывается достаточно, чтобы в некоторых случаях вместе с конденсатом скатывались и компоненты.

4.3.6. Пайка в инертной атмосфере

Азот используется при пайке оплавлением для удаления кислорода из зоны пайки. Это предотвращает окисление припоя, контактных площадок и выводов компонентов в процессе оплавления паяльной пасты.

Преимущества использования азота в процессе пайки оплавлением являются предметом многочисленных дискуссий и зависят от множества факторов, таких как тип покрытия контактных площадок печатной платы, тип пасты, паяемость выводов компонентов. Существует мнение, что использование азота не улучшает качество паяных соединений. В качестве аргумента приводится тот факт, что частицы паяльной пасты окисляются еще на этапе ее производства. И даже при остаточном уровне кислорода в печи 10 ppm окисление частиц пасты уменьшается только как 1:60 по сравнению с пайкой в воздухе. Тем не менее процесс пайки в среде азота обладает рядом общепризнанных преимуществ:

∙более широкое технологическое окно процесса;

∙большее поверхностное натяжение и меньшее вторичное окисление выводов компонентов приводят к увеличению поверхности выводов компонентов, смачиваемой припоем, вплоть до 30 % и обеспечивает лучшее самоцентрирование компонента в случае его установки со смещением;

∙меньшее вторичное окисление также увеличивает смачивание контактных площадок с покрытием NiAu или Сu;

∙большее поверхностное натяжение припоя уменьшает вероятность образования шариков припоя при использовании пасты с

333

мелкими частицами припоя, имеющей большую площадь поверхности частиц, − частицы спаиваются более легко;

∙поверхность паяного соединения выглядит более гладкой и

внекоторых случаях более глянцевой;

∙возможность использования слабо- и среднеактивированных флюсов;

∙более высокая надежность при пайке BGA-компонентов;

∙благодаря большему поверхностному натяжению компоненты, обладающие большей массой и размерами, могут удерживаться на нижней стороне платы при пайке оплавлением двусторонних печатных узлов в два этапа;

∙меньшее повторное окисление паяных соединений на нижней стороне платы при пайке оплавлением двусторонних печатных узлов в два этапа;

∙меньшее изменение цвета платы при пайке.

Пайке в среде азота свойствен и ряд недостатков:

∙увеличение стоимости − главный недостаток;

∙большее поверхностное натяжение может приводить к увеличению вероятности возникновения перемычек припоя при пайке компонентов с малым шагом выводов в случае неточного нанесения паяльной пасты;

∙увеличение вероятности возникновения эффекта «надгробного камня».

Область применения пайки в среде азота:

∙пайка бессвинцовыми припоями;

∙пайка двусторонних плат;

∙пайка компонентов с малым шагом выводов;

∙пайка по чистой меди.

Каков максимально допустимый остаточный уровень кислорода? Это зависит от состояния печатной платы, компонентов и используемой пасты. Если контактные площадки или выводы компонентов обладают плохой паяемостью и активность флюса мала, не-

обходимо обеспечить низкий остаточный уровень кислорода. Остаточный уровень кислорода должен лежать в пределах 100−1000 ppm

в зависимости от вышеупомянутых факторов. При использовании паяльных паст с малоактивным флюсом остаточный уровень кислорода, возможно, должен быть еще ниже. Единственный способ оп-

334

ределения верного остаточного уровня кислорода − это проведение экспериментов при различных уровнях. Одним из вариантов может быть пайка ряда ПП с постепенным сокращением ocтаточного уровня кислорода с последующим визуальным контролем сформировавшихся паяных соединений. Такой эксперимент подскажет максимально допустимый остаточный уровень кислорода.

Визуальный контроль с использованием микроскопа подтверждает улучшение качества паяных соединений, полученных при пайке в среде с низким содержанием кислорода. Если во время испытаний производить постепенное снижение остаточного уровня кислорода, то можно легко наблюдать улучшение смачивания контактных площадок и выводов компонентов. Это особенно заметно на медных выводах микросхем, смоченных припоем с дальнейшим образованием качественной галтели в азотной среде.

Потребление азота зависит от исходной чистоты азота, типа печи и остаточного уровня кислорода, который необходимо обеспечить.

Как правило, исходная чистота азота составляет 5 ppm остаточного кислорода. Такая чистота может быть обеспечена только использованием жидкого азота. Для получения газообразного азота из жидкого используются специальные испарители. Если длина трубопровода от испарителя до установки превышает 50 м и проходит по зданию, нет необходимости в дополнительном оборудовании для нагрева газообразного азота.

Примерное потребление азота в печах серии Hotflow представлено в табл. 30. Приведенные данные соответствуют следующим исходным параметрам:

−ширина конвейера 250 мм;

−высота компонентов 15 мм;

−азот 5.0 (чистота 02 < 5 ppm).

	Таблица 30
Примерное потребление азота в печах серии Hotflow
Остаточный уровень кислорода	Примерный расход азота
20 ppm	23−26 Mi/ч
50 ppm	19−23 Mi/ч
100 ppm	16−19 Mi/ч
500 ppm	11−15 Mi/ч

335

Потребление азота также зависит от системы управления подачей азота. Существуют два конструктивных исполнения печей: только с расходомерами, позволяющими контролировать расход азота, подаваемого в печь, и с регулированием остаточного уровня кислорода в печи. Печи с регулированием остаточного уровня кислорода снабжены газоанализатором, регистрирующим текущий уровень кислорода в печи и обеспечивающим обратную связь с системой управления пропорциональным клапаном, автоматически увеличивающим или уменьшающим подачу азота в печь в зависимости от текущего уровня остаточного кислорода.

Какова экономическая выгода пайки в среде азота? Она должна рассчитываться в каждом конкретном случае. Экономия средств вследствие снижения уровня брака при пайке может быть определена довольно просто. Но другие выгоды рассчитать гораздо сложнее. Однако все сводится к сравнению экономии средств и других преимуществ со стоимостью азота и оборудования для его подачи.

4.3.7. Пайка бессвинцовыми припоями

Согласно директивам Европейского сообщества (ЕС) с 1 июля 2006 г. запрещается применение свинца в производстве электроники во всех странах, входящих в ЕС. Использование бессвинцовых припоев вынуждает производителей знакомиться с новыми материалами и адаптировать существующие производственные процессы под новые требования.

Наиболее вероятной заменой традиционных оловянно-свин- цовых припоев может стать припой на основе олова, содержащий серебро и медь (Sn/Ag/Cu). Однако для внедрения в производство такого припоя необходимо сначала преодолеть ряд трудностей. Например, при использовании традиционного оловянно-свинцового припоя неудовлетворительное смачивание поверхностей может быть частично компенсировано увеличением температуры пайки, что гораздо сложнее реализовать при пайке припоями Sn/Ag/Cu. Использование бессвинцовых припоев приводит к сужению окна технологического процесса, так как у них температура ликвидуса выше и материалы, из которых изготовлены печатные платы (ПП), имеют ограниченные максимально допустимые температуры нагрева, которому они могут подвергаться в течение определенного

336

промежутка времени без возникновения повреждений. Одним из способов компенсации сужения окна технологического процесса и сокращения разницы между температурой пайки и ликвидуса является пайка в среде азота.

Так как применение свинца в электронной промышленности будет запрещено в скором времени, необходимо найти подходящую замену свинцовосодержащим припоям и покрытию выводов компонентов и контактных площадок. Этот поиск, ведущийся, по крайней мере, 15 лет, интенсифицировался в последнее время. Исследования и испытания различных припоев привели к появлению рекомендаций по применению припоев на основе олова, содержащих небольшой процент серебра и/или меди и/или висмута, а некоторые предприятия уже внедрили их в производственный процесс. Однако замена свинца оловом приведет к повышению температуры лик-

видуса припоя со 183° С (для припоя Sn63/Pb37) примерно до 210−230 ° С в зависимости от состава припоя.

Повышение температуры приведет к увеличению скорости окисления. Олово, являясь основным компонентом многих бессвинцовых припоев, окисляется значительно быстрее, чем свинец. В действительности, значение коэффициента роста оксидной пленки для припоя из чистого олова в два раза выше, чем для припоя Sn60/Pb40. Одним из способов уменьшения влияния окисления является применение высокоактивных флюсов для удаления окислов в процессе пайки. Другой, более экологически безвредный способ заключается в использовании малоактивных флюсов и защите припоя от окисления с помощью инертной среды, например, азотной.

Ниже приведены основные типы бессвинцовых припоев и их температуры плавления (табл. 31). Рассмотрим каждый из этих припоев.

		Таблица 31
Типы и температуры плавления бессвинцовых припоев
Тип припоя	Состав (массовые части), %	Температура плавления, ° С
1	2	3
Sn/Ag	Sn96,5/Ag3,5	221
Sn/Ag/Cu	Sn95,5/Ag4,0/Cu0,5	217−219
Sn/Cu	Sn99,3/Cu0,7	227
Sn/Ag/Cu/Sb	Sn96,2/Ag2,5/Cu0,8/Sb0,5	217−220

337

		Окончание табл. 31
1	2	3
Sn/Ag/Bi	Sn91,8/Ag3,4/Bi4,8	200−216
Sn/Ag/Bi/Cu	Sn90/Ag2,0/Bi7,5/Cu0,5	198−212
Sn/Bi	Sn42/Bi58	138
Sn/Sb	Sn95/Sb5	232−240
In/Sb	In52/Sb48	118
Sn/Zn	Sn91/Zn9	199
Au/Sn	Au20/Sn80	280

Припой Sn/Ag (Sn96,5/Ag3,5). Данный припой обладает достаточной смачивающей способностью и прочностью. В некоторых источниках отмечаются его более высокие термоусталостные свойства по сравнению с оловянно-свинцовыми припоями. Повреждения, вызванные термической усталостью, усиливаются при повышенных температурах. В системе Sn/Pb относительно высокая растворимость в твердом состоянии свинца в олове и, наоборот, особенно при повышенных температурах, приводит к укрупнению зерна. Известно, что эти неоднородные укрупненные зерна являются концентраторами напряжений, приводящих к зарождению и развитию трещин. Имеются многочисленные подтверждения того, что микроструктуры такого типа в сплавах Sn/Pb разрушаются вследствие возникновения полосы укрупненных зерен, из которой начинается рост усталостных трещин. Для сравнения, в системе Sn/Ag растворимость серебра в олове невелика, что обеспечивает более высокую сопротивляемость к укрупнению зерна сплавов этой системы. В результате эвтектический припой Sn96,5/Ag3,5 обладает более стабильной однородной микроструктурой, что повышает надежность.

Хотя припой Sn96,5/Ag3,5 сам по себе обладает высокой стабильностью микроструктуры, при пайке поверхностей на основе меди из-за большего содержания олова (96,5 % по сравнению с 63 %) и более высокой температуры пайки увеличивается скорость диффузии меди в олово. При достижении соответствующей концентрации происходит образование и рост хрупкого интерметаллического соединения Cu6Sn5. Для снижения скорости диффузии и тем самым уменьшения проникновения меди в олово возможно использование других покрытий паяемых поверхностей, например, иммерсионного золота (трехслойное покрытие Au-Ni-Cu). Слой никеля толщиной

338

2 мкм играет роль эффективного диффузионного барьера, ограничивая проникновение меди в припой и образование хрупкого интерметаллического соединения Cu6Sn5.

Припой Sn/Ag/Cu (Sn95,5/Ag4,0/Cu0,5). Так как стойкость паяного соединения к механическим воздействиям уменьшается при температурах, близких к температуре плавления припоя, термоциклирование при повышенных температурах более опасно для оловянно-свинцовых (температура плавления 183 ° С), чем высокотемпературных припоев. Температура плавления припоя Sn/Ag/Cu делает его идеально подходящим для пайки изделий с высокими рабочими температурами (до 175 ° С). Что касается смачивания, припой Sn/Ag/Cu не так хорошо смачивает медные поверхности, как припой Sn/Pb при использовании распространенных флюсов. Однако образования качественных галтелей можно достичь при условии, что применяемые флюсы пригодны для пайки при высоких температурах. Пайка в азотной среде также улучшает смачивание при использовании флюсов, не требующих отмывки. Тест на растворение меди показал относительно высокую тенденцию растворять медь из покрытий и образовывать интерметаллическое соединение Cu6Sn5.

Припой Sn/Cu (Sn99,3/Cu0,7). Данный припой также может использоваться при пайке изделий, работающих при высоких температурах, например, в автомобильной промышленности. Это наиболее приемлемый вариант для предприятий, ищущих припои, не содержащие свинец и серебро. Предварительные испытания данного припоя выявили существенно лучшие усталостные свойства и предел ползучести по сравнению со стандартными оловянно-свин- цовыми припоями. Однако припои Sn/Cu/X показали лучшие результаты при испытании на ползучесть.

Припой Sn/Ag/Cu/Sb (Sn96,2/Ag2,5/Cu0,8/Sb0,5). Механиче-

ские характеристики и показатели надежности припоев данной системы схожи с характеристиками припоев системы Sn/Ag/Cu. Однако его применение вызывает некоторые опасения из-за содержания в нем токсичной сурьмы.

Припой Sn/Ag/Bi (Sn91,8/Ag3,4/Bi4,8). Вообще говоря, висмут добавляется в припои Sn/Ag/X в целях снижения температуры плавления. Еще одним преимуществом добавления висмута является более высокая прочность паяных соединений, что было показано при механических испытаниях. Данный припой был разработан Sandia National Labs. Испытания, проведенные Sandia, показали от-

339