Учебник по Технологии

сутствие повреждений электрических цепей печатных узлов (ПУ) с компонентами поверхностного монтажа после 10 000 циклов изменения температуры. Для испытания использовались компоненты PLCC68, S0IC24 и чип-конденсаторы 1206, установленные на стандартные платы из FR4. ПУ подвергались нагреванию от 0 до 100 ° С со скоростью 10 ° С/мин. После 5000 циклов не было обнаружено трещин или деформаций на разрезах платы. Эти результаты хорошо согласуются с данными, собранными Национальным центром тех-

нологий США (National Centre for Manufacturing Sciences, NCMS)

в рамках проекта по пайке бессвинцовыми припоями, сообщавшими о высокой сопротивляемости припоя термической усталости при использовании печатных плат с органическим защитным покрытием контактных площадок и сквозных отверстий.

Припой Sn/Ag/Bi/Cu (Sn90/Ag2,0/Bi7,5/Cu0,5). Хотя добавле-

ние висмута в систему Sn/Ag/X увеличивает прочность паяных соединений и улучшает смачивание, слишком большое содержание висмута (более 5 %) приводит к образованию двойной эвтектики Sn / Bi при 138 ° С или тройной эвтектики Sn/Ag/Bi при 136,5 ° С. Для припоя с содержанием висмута 7,5 % это соответствует примерно 1 % объема паяного соединения. При приближении температуры к 138 ° С 1 % паяного соединения расплавится, что неминуемо скажется на надежности. Данная проблема вместе с недостатком, связанным с формированием соединения SnPbBi при 96 ° С, делает этот припой маловероятным кандидатом для бессвицовой пайки.

Припой Sn/Bi (Sn42/Bi58). Низкая температура плавления данного припоя делает его пригодным для пайки термочувствительных компонентов и подложек. Если бы данный припой содержал свинец, то могло бы сформироваться эвтектическое соединение SnPbBi при 96 ° С, что, в свою очередь, неблагоприятно сказалось бы на термоусталостных свойствах. В рамках исследовательского проекта пайки бессвинцовыми припоями Национального центра технологий

США было заявлено о результатах испытаний на термоциклирование (0/100 ° С, −55/+125 ° С) с проведением 5000 циклов испытаний

ПП с органическим защитным покрытием контактных площадок и сквозных отверстий. Результаты показали, что припой Sn/Bi превзошел припой Sn/Pb в обоих испытаниях. Однако предполагалось, что близость 125 ° С к температуре двойной эвтектики Sn/Bi, равной 138 ° С, приведет к неудовлетворительным результатам. Было предложено два вероятных объяснения этого неожиданного результата. Возможно, сплав Sn/Bi подвергается отжигу при температуре 125 ° С,

340

уменьшающему напряжения, возникающие при термоциклировании. Второе объяснение заключается в претерпевании сплавом рекристаллизации. Кроме того, не наблюдалось образование высокой галтели по причине эвтектической природы сплава.

Припой Sn/Sb(Sn95/Sb5). Припой 95Sn/5Sb − это твердый раствор сурьмы в олове. Относительно высокая температура плавления данного припоя делает его пригодным для применения в качестве высокотемпературного. Сурьма придает прочность и твердость. При сравнении пределов текучести различных припоев было обнаружено, что предел текучести припоя Sn/Sb составляет 37,2 МПа и почти равен значению, показанному припоем Sn/Ag (37,7 МПа). Высокий предел текучести данного сплава приводит к тому, что в случае тонкого интерметаллического соединения трещина развивается по границе припоя с интерметаллическим соединением − пути, требующему минимальных затрат энергии. Повышение толщины интерметаллического соединения приводит к прохождению трещины сквозь интерметаллид. Образование интерметаллического соединения SbSn возможно при таком уровне содержания Sb. Эта фаза имеет кубическую структуру с высокой твердостью. Испытания на смачивание проводились при использовании RMA-флюса. Смачивание припоем Sn95/Sb5 медной проволоки при испытании в течение 2 с значительно меньше, чем припоями Sn63/Pb37 и Sn96,5/Ag3,5. Помимо низкой смачивающей способности, токсичность сурьмы также вызывает опасения. Как и висмут, сурьма является побочным продуктом при производстве свинца.

Припой In/Sn (In52/Sb48). Данный припой относится к низкотемпературным припоям. Благодаря содержанию индия он обладает высокой стойкостью к окислению, однако склонен к коррозии в среде с высокой влажностью. Более того, это очень мягкий металл. К тому же сплав In52/Sn48 обладает довольно низкими термоусталостными свойствами по причине низкой температуры плавления. Высокое содержание индия в этом припое препятствует его широкому применению из-за стоимости и ограниченной доступности.

Припой Sn/Zn (Sn91/Zn9). Наличие цинка в припоях приводит к окислению и коррозии. Слитки из этих сплавов, подвергавшиеся воздействию пара в течение 8 ч, сильно корродировали, о чем свидетельствовал багрянистый цвет поверхности. Припой в форме порошка интенсивно реагирует с кислотами и щелочами с образованием газов. Известно, что цинкосодержащие припои вступают в реакцию с флюсом, что со временем приводит к отвердеванию пасты.

341

Таким образом, совместимость с флюсами и продолжительность срока хранения данного припоя находится под вопросом. При пайке оплавлением припой Sn/Zn не продемонстрировал достаточно высокую смачивающую способность, показанную другими бессвинцовыми припоями. При пайке волной припоя наблюдалась тенденция к образованию большого количества шлама. Следовательно, возможность промышленного применения данного припоя и цинкосодержащих припоев в целом сомнительна.

Припой Au/Sn (Au20/Sn80). Эвтектический припой Au/Sn образует паяные соединения, отличающиеся высокой твердостью благодаря формированию хрупкого интерметаллического соединения. Однако были обнаружены проблемы, связанные с растрескиванием при пайке данным припоем. Не установлено, возникает ли растрескивание во время сборки ПУ или термоциклирования. Высокая цена данного припоя ограничивает его применение в тех случаях, когда издержки являются сдерживающим фактором.

Бессвинцовая пайка практически ничем, кроме более высокой температуры, не отличается от традиционной Sn/Pb-технологии. Однако могут потребоваться некоторые изменения на определенных операциях техпроцесса. Так, например, новые типы припоев и флюсов могут повлиять на характеристики паяльной пасты. Могут измениться такие свойства паст, как срок службы и хранения, текучесть, что потребует изменения конструкции ракеля и режимов оплавления.

Под воздействием повышенной температуры пайки может произойти вспучивание корпусов микросхем, растрескивание кристаллов, нарушение функционирования схем. Схожие эффекты возникают и в печатных платах. Под действием температуры происходит расслоение основания, ухудшается плоскостность, что отрицательно сказывается на точности установки микросхем, особенно в корпусах больших размеров. Большинство компонентов совместимо с температурным режимом бессвинцовой пайки. Исключение составляют некоторые типы интегральных схем, конденсаторов и

разъемов, предельная температура пайки для которых не должна превышать 225−230 ° С.

Что касается оплавления, то основные изменения связаны, в первую очередь, с более высокой температурой пайки. Требуется более тщательный выбор компонентов и материалов основания платы. Другие проблемы касаются охлаждения устройства и поддержки платы. Особенно чувствительны к скорости охлаждения многокомпонентные сплавы, содержащие более двух металлов.

342

В таких припоях могут образовываться различные интерметаллические соединения в зависимости от скорости охлаждения. Повышенная температура пайки может привести к кристаллизации остатков флюса, что затруднит отмывку печатных узлов после пайки.

Внешний вид паяного соединения при пайке бессвинцовым припоем весьма сильно отличается от традиционного. Для оценки качества паяных соединений, полученных с использованием бессвинцовых припоев, возможно, потребуется разработать новые критерии.

При монтаже плат больших размеров с массивными компонентами необходимо либо увеличивать время воздействия температуры, либо повышать температуру пайки, что следует учитывать при выборе компонентов и материалов печатных плат. При пайке бессвинцовыми припоями компонентов с выводами, покрытыми Sn/Pb, могут образовываться шарики припоя.

В Швеции была проведена серия испытаний с целью выяснения влияния различных факторов на технологический процесс пайки.

Испытания на растекаемость припоя проводились в различных средах, при различных температурах пайки и длительности нахождения припоя в жидком состоянии. При этом методом трафаретной печати наносилось одинаковое количество паяльной пасты на медную поверхность. Объем паяльной пасты определялся исходя из толщины трафарета и диаметра отверстий в нем. Далее производилось оплавление припоя, и затем измерялась площадь, покрытая припоем.

Не стоит забывать, что результаты теста на растекаемость припоя нельзя напрямую распространять на пайку компонентов, установленных на ПП, потому что пайка ПУ − это взаимодействие паяльной пасты с выводами компонентов и контактными площадками ПП, среды и профиля пайки, определяющее окончательный результат.

Тестирование было проведено для трех типов паяльных паст различных производителей с припоем Sn95,8/Ag3,5/Cu0,7 и флюсом, не требующим отмывки, наносимых с помощью металлических ракелей через металлический трафарет, изготовленный методом лазерной резки, толщиной 200 мкм с диаметром отверстий 4,93 мм. ПП, использованные во время испытаний, были изготовлены из FR4 и имели толщину 1,6 мм. Для обеспечения чистоты поверхности ПП и отсутствия на ней оксидов и других загрязнителей ПП подвергались предварительной очистке и полировке. На каждую ПП наносилось по шесть отпечатков пасты, затем производилась пайка в воздушной или азотной среде.

343

Во второй части испытаний исследовалась пайка ПП с установленными компонентами в воздушной и азотной среде с тем, чтобы выяснить влияние среды. При этом использовались компоненты и ПП с чистыми поверхностями и недавно изготовленная паяльная паста. Материал, из которого были изготовлены ПП, толщиной 1,6 мм, − FR4, контактные площадки имели покрытие Ni/Au. Толщина трафарета, через который наносилась паста, составляла 150 мкм, параметры технологического трафарета были таковы: скорость движения ракеля − 25 мм/с, давление ракеля − 1 кг/10 см ракеля. Перечень использованных компонентов приведен ниже (табл. 32).

		Таблица 32
	Перечень компонентов
Компонент	Покрытие выводов	Шаг выводов, мм
С1206	Sn бессвинцовое	−
S016	Бессвинцовое	1,27
QFP	SnPb	0,5
BGA225	SnPb шариковые выводы	1,5

Испытания припоя на растекаемость и исследование пайки компонентов, установленных на ПП, ясно показали, что при использовании припоя Sn/Ag/Cu смачивание поверхностей улучшается в случае пайки в среде азота. Смачивание выводов некоторых компонентов при пайке в воздушной среде было признано неудовлетворяющим требованиям стандартов IPC. Так как в исследованиях были использованы недавно изготовленные компоненты и паяльная паста, ожидается, что влияние среды, в которой производится пайка, может быть еще более существенным, если паяемость контактных площадок ПП или выводов компонентов снизится из-за длительного хранения.

Что касается паяльной пасты, то перед ее использованием необходимо убедиться в отсутствии серьезного ухудшения качества, например, из-за поглощения пастой большого объема влаги или высыхания. Установлено, что результаты, показанные паяльными пастами разных производителей при одних и тех же условиях, различны, но все они улучшаются при пайке в азотной среде.

Было показано, что при одних и тех же условиях время нахождения припоя в жидком состоянии может быть уменьшено примерно на 16 % при пайке в азотной среде. При пайке в азотной среде достигнуто такое же смачивание, что и в воздушной среде. Это приводит к сокращению времени цикла и, следовательно, к увеличению производительности.

344

В идеале при пайке ПП с установленными компонентами все компоненты и отпечатки паяльной пастой должны достичь одинаковой температуры в одно и то же время. На практике дело обстоит не так. На нагрев крупных компонентов требуется больше энергии, чем на нагрев мелких, и, следовательно, достижение заданной температуры происходит дольше. Другие факторы, влияющие на разницу температуры по поверхности ПП, включают в себя топологию ПП, теплоотвод, эффективность и постоянство передачи тепла от печи к ПП, отличие температуры на поверхности ПП от температуры на нагревателях. Часто это приводит к тому, что одинаковые компоненты, установленные в разных местах ПП, подвергаются различному температурному воздействию. Смачивание определит, будет ли сформировано качественное паяное соединение или нет. Это, в свою очередь, зависит от типа компонентов и металлизации контактных площадок ПП, состояния поверхности выводов компонентов и контактных площадок, паяльной пасты и ее состояния, не говоря уже о многих других факторах.

4.3.8. Пайка конструкционных материалов

Пайка, как и сварка, предназначена для неразъемных соединений заготовок. Особенность пайки состоит в применении припоя, имеющего температуру плавления ниже температуры плавления материала припаиваемых частей. При пайке основной металл твердый, а припой расплавлен. Части заготовки соединяются вследствие смачивания, взаимного растворения и диффузии припоя и основного материала в зоне шва. Для диффузии необходимо, чтобы припаиваемые поверхности были очищены, особенно от пленок оксидов, и защищены от окисления. Для защиты от окисления при пайке служат флюсы.

Паять можно углеродистую и легированную стали всех марок: твердые сплавы, ковкие и серые чугуны, а также цветные металлы и их сплавы. Можно также паять разнородные материалы (например, сталь с твердыми сплавами, керамику, пластмассы).

Паяльные маски для наружных слоев печатных плат

Введение в конструкцию ПП паяльной маски является необходимым условием, так как обычная стекло-эпоксидная основа печатных плат не обладает достаточной теплостойкостью при температурах пайки (220–240 ° С) и без паяльной маски за время, необходимое для проведения техпроцесса пайки (0,5–2,5 мин), может происходить поверхностная деструкция материала диэлектрика.

345

По методу формирования рисунка паяльные маски делятся на два типа:

∙рисунок формируется методом трафаретной печати. Как правило, это составы на эпоксидной основе, отверждаемые термически или ультрафиолетовым излучением; при относительной дешевизне основным их недостатком является низкая разрешающая способность и необходимость использования сеткографического трафарета;

∙рисунок формируется фотолитографическим методом (фоторезистивные паяльные маски). Эти паяльные маски позволяют формировать рисунок любой сложности, в последнее время они получили наибольшее распространение. Фоторезистивные паяльные маски по методу нанесения делятся на сухие и жидкие.

Для нанесения паяемого покрытия на медную поверхность проводников ПП применяют несколько способов. Один из них – наиболее популярный метод – лужение с выравниванием припоя горячим воздухом (HAL, HASL).

При позитивном методе изготовления наружных слоев ПП перед нанесением расплавленного припоя после травления меди с пробельных мест удаляется олово-свинец со всех металлизированных поверхностей. Далее паяльная маска наносится на чистые медные проводники. Потом формируется рисунок защитного слоя, и вся ПП окунается в расплавленный 63/37 припой, который наносится на все поверхности, свободные от паяльной маски, – монтажные контактные площадки. Маршрутная схема процесса нанесения паяльной маски приведена на рис. 75.

							А
							Наслаивание
Задубливание		Проявление		Экспонирование
							паяльной
маски		маски		маски
							маски
Трафаретная		Механическая		Горячее
печать		обработка					Тестирование
				лужение
маркировки		по контуру

МПП с маской

Рис. 75. Маршрутная блок-схема нанесения паяльной маски, маркировки, лужения и финишного контроля МПП

346

Многие российские производители ПП пытаются приспособить старую технологию оплавления металлорезиста олово-свинец для обеспечения хорошей паяемости покрытия и последующего нанесения паяльной маски. При этом они неизбежно сталкиваются с проблемами растрескивания и отслаивания паяльной маски от блестящей поверхности припоя или растекания припоя под паяльной маской при автоматизированном монтаже при пайке волной.

При тентинг-методе после травления рисунка операция снятия металлорезиста отсутствует, так как все проводники чисто медные. Поэтому одно из преимуществ этой технологии и лужения с выравниванием припоя в том, что уменьшается количество шагов обработки. Другое преимущество заключается в том, что припой не подвергается дополнительной химической обработке, которая могла бы загрязнить поверхность или изменить состав сплава. Кроме того, здесь меньше термических воздействий, способных вызвать рост интерметаллидов. Контактные площадки после этого процесса имеют отличную способность к смачиванию.

Альтернативы горячему лужению с выравниванием воздухом

Металлические покрытия:

∙иммерсионное золото поверх химического никеля;

∙иммерсионное серебро;

∙химический палладий;

∙иммерсионное олово;

∙иммерсионный палладий;

∙химическое золото поверх никеля.

Иммерсионная металлизация всегда себя ограничивает и обычно очень тонкая. Для изготовителя ПП ванны иммерсионной металлизации обычно значительно легче, чем ванны химической металлизации. Благодаря физическим свойствам золота металлизация никель-золото (Ni/Au) стала очень полезной обработкой поверхности.

В любой электрической схеме, где сопротивление коррозии или снашиванию вызывает беспокойство, обычно используется золото в качестве предпочтительного финишного покрытия. Обычный метод применения золота в ПП – электрометаллизация. Для того, чтобы осуществить электропокрытие металла, все области

347

должны быть электрически связанными вместе (на одной шине или шунтированные), чтобы позволить ионам металла течь от анода к катоду. Золото в растворе электрически стимулируется анодом и осаждается на проводники ПП (катод). Хотя никель обеспечивает долговечность золота, его первичная функция в том, чтобы сформировать барьер между золотом и медью. Это предохраняет медь от миграции через пористый золотой слой.

Иммерсионное золочение и химическое никелирование обеспечивают плоские контактные площадки для поверхностного монтажа и дают хорошую, присущую золоту смачиваемость припоем. Скорость осаждения никеля – 12,5–17,0 мкм/ч. Толщина слоя золота − 0,05–0,2 мкм. С точки зрения популярности у изготовителей следующие покрытия чаще всего заказывают в ПП для поверхностного монтажа. Покрытия указываются в порядке популярности:

∙оплавление олова-свинца;

∙лужение с выравниванием припоя;

∙золочение поверх никеля;

∙покрытие лаковым флюсом.

4.4. Поверхностный монтаж радиоэлектронных средств

4.4.1. Основные понятия и определения

Технология монтажа электронных компонентов непосредственно на поверхность схемных плат называется поверхностным монтажом. Поверхностный монтаж (ПМ) позволяет повысить экономические параметры, так как позволяет в процессе конструирования РЭС уменьшить габариты, снизить расход материалов и энергии, объем и массу корпусов и стоек, в которых должны размещаться электронные системы, и следовательно, уменьшить площадь сооружений. Используя технику ПМ, можно создавать более быстродействующие, помехоустойчивые и надежные электронные средства.

Техника поверхностного монтажа компонентов появилась в конце ХХ в. и сейчас является наиболее перспективным средством повышения производительности труда при изготовлении схемных плат и улучшения их функциональных характеристик.

348

ПМ по сравнению с традиционными технологиями монтажа обладает важнейшим критерием прогрессивности, а именно, обеспечивает миниатюризацию аппаратуры при одновременном росте ее функциональной сложности.

Процесс ПМ охватывает позиционирование и установку компонентов, пайку, контроль, испытание и ремонт. Для успешного внедрения ПМ в производство современной микроэлектронной аппаратуры необходима увязка вопросов технологичности на этапах конструкторского проектирования изделий.

Благодаря малым размерам компонентов для поверхностного монтажа ПМ находит широкое применение.

Сложность процесса сборки в сочетании с недостаточной стандартизацией корпусов компонентов в начальный период освоения ПМ в известной мере ограничила распространение ПМ на область цифровой техники. Освоение смешанных вариантов монтажа компонентов в отверстии и на поверхности плат связано с потребностью в нетрадиционных способах сборки и монтажа, что пока еще затрудняет реализацию преимуществ новой техники.

Термин «технология поверхностного монтажа» является общим обозначением нового направления в области электроники, включающего и технику корпусирования компонентов. Навесные компоненты, предназначенные для ПМ, в основном намного меньше, чем их традиционные эквиваленты, монтируемые в отверстия. Вместо длинных выводов или штырьков, как у корпусов, монтируемых в отверстия, они имеют очень короткие выводы или просто внешние контактные площадки. Такие компоненты непосредственно закрепляются на верхней (или нижней) стороне коммутационной платы при совмещении их выводов или внешних контактов с контактными площадками.

Малые размеры компонентов для ПМ обеспечивают:

∙более высокую плотность монтажа на единицу площади коммутационной платы и, следовательно, дают снижение массогабаритных показателей при том же уровне функциональных возможностей;

∙увеличение числа выводов корпуса (например, пластмассовый кристаллоноситель PLCC имеет 84 вывода и, следовательно, повышение функциональных возможностей на единицу поверхности коммутационной платы).

349