Производители радиоэлектронного оборудования активно заменяют припои на основе свинца бессвинцовыми припоями, что требует решения проблем по техническому осуществлению такой замены и обеспечению высокого качества соединений. Это привело к совершенствованию метода выравнивания припоя воздушным ножом, или горячего лужения (Hot Air Solder Leveling, HASL), а также возобновило интерес к пайке оплавлением припоя струей горячего газа (конденсационной пайке). За пять лет, прошедших с начала освоения бессвинцовой HASL-техники при производстве коммерческих изделий, достигнуты значительные успехи. Каковы эти успехи и в чем достоинства конденсационной пайки?
Место HASL в технологии нанесения финишного покрытия контактных площадок печатных плат
До принятия Европейским союзом директивы RoHS для нанесения на медные контактные площадки печатных плат оловянно-свинцового (обычно Sn-37Pb) финишного покрытия под пайку американскими и европейскими компаниями широко использовался HASL-процесс. Он распространен и на японских предприятиях, но доля плат, прошедших HASL-обработку, на японском рынке невелика. Это связано с тем, что на этом рынке преобладают бытовые электронные устройства, и с целью обеспечения их быстрого продвижения используются органические финишные покрытия (OSP).
Популярность HASL объясняется хорошо отлаженной технологией нанесения финишного покрытия, высокой прочностью паяного соединения с медными контактными площадками, его способностью выдерживать многократное термоциклирование. Основная ценность нанесенного HASL финишного покрытия - наличие интерметаллического соединения, расположенного между припоем и увлажненным им медным контактом. И еще одно достоинство HASL - при выполнении процесса надлежащим образом паяемость покрытия сохраняется в течение продолжительного периода без дополнительной защиты или специальных условий хранения. Однако после вступления в силу в июле 2006 года директивы RoHS многие эксперты решили, что HASL-процесс не найдет применения в бессвинцовой технологии, поскольку ему присущи следующие недостатки:
* необходимость нагрева до высокой температуры, что может привести к деформации платы;
* проблема копланарности из-за неоднородной толщины покрытия контактных площадок;
* проблема уплотняющей прокладки, связанная с неравномерностью покрытия по толщине и образованием грибовидных шляпок на контактных площадках малых размеров;
* выделение паров в процессе нанесения HASL-покрытий, что считается несовместимым с требованиями современного производства.
Однако на практике эти проблемы не привели к отказу от применения HASL в бессвинцовом производстве. Этот процесс, но уже без свинца, осваивается в Европе с 2002 года. И в 2008 году в мире функционировало более 400 линий бессвинцового горячего лужения, причем около 100 из них - в Китае. В среднем каждый месяц в строй вводятся пять таких новых линий.
Если плата не подвергается HASL-обработке более двух раз и/или температура пайки не превышает допустимую, HASL-процесс не вызывает повреждения ламинатов спецификаций CEM-1, CEM-2 и FR-2.
А по мере увеличения термостойкости материалов вероятность их повреждения уменьшается. Степень неоднородности финишного бессвинцового покрытия, наносимого HASL-проессом, примерно вдвое меньше, чем свинцового покрытия. Для плат, рассчитанных на монтаж компонентов больших размеров, копланарность покрытия достаточно высокая. Что же касается выделяемого тепла и паров, то современные производственные бессвинцовые HASL-линии конструируются так, чтобы соблюдались условия, не нарушающие работу другого оборудования современного предприятия по производству печатных плат.
Бессвинцовый HASL-процесс
Как уже отмечалось, одно из основных достоинств HASL-технологии - отработанный, простой процесс нанесения финишного покрытия. После предварительной очистки печатная плата с нанесенным флюсом контактирует с расплавом припоя в течение достаточного для смачивания медной контактной площадки времени. Избыточный припой "сдувается" воздушным ножом (потоком воздуха, температура которого превышает точку плавления припоя). После отверждения покрытия под пайку с платы смываются остатки флюса, и она сушится. Наиболее гладкое и блестящее покрытие получают при воздушном охлаждении платы.
Сегодня в большинстве промышленных бессвинцовых HASL-линиях используется вертикальный процесс нанесения высококачественного покрытия. Согласно этому процессу, в ванну с припоем вертикально на 2-3 с опускают панель с укрепленными на ней платами. При подъеме платы проходят между воздушными ножами, которые очищают сквозные отверстия плат и формируют требуемую толщину припоя на всех контактных площадках, где нужно финишное покрытие под пайку. В ходе последующих операций очистки и сушки оператор может проверять качество покрытия.
Правда, пока платы, как правило, крепятся и снимаются с панели вручную, хотя уже появились автоматизированные линии вертикальной обработки, выполняющие и операции нанесения флюса, и предварительного нагрева, и последующей промывки и сушки.
Горизонтальный HASL-процесс подобен вертикальному, но плата не погружается в ванну с припоем, а припой на нее наносится с помощью форсунки или при прохождении валиков с припоем. Панель с платами также обрабатывается воздушными ножами, промывается и сушится. Процесс горизонтальной обработки легко объединяется с другими операциями современной линии по производству печатных плат (рис.1), при этом время нанесения покрытия составляет доли секунды. Финишное покрытие, наносимое горизонтальным методом, отличается большей однородностью по толщине, поскольку в отличие от вертикального процесса, припой не стремится под действием силы тяжести переместиться к нижнему краю контактной площадки, а равномерно распределяется по ее поверхности. Тем не менее, вертикальный процесс пока доминирует при производстве печатных плат.
Припои для бессвинцового HASL
По своему эвтектическому составу припои, используемые при бессвинцовом горячем лужении, не должны отличаться от сплава Sn-37Pb, считающегося образцовым для HASL-процесса. Поэтому при проведении бессвинцового HASL-процесса предпочтение отдано сплаву SnCuNiGe. Его эвтектику определяет сплав SnCu, в состав которого добавлены никель для лучшего формирования эвтектики и германий для контроля окисления в жидком и твердом состояниях. К тому же к достоинствам сплава SnCuNiGe относятся низкая скорость растворения меди в расплаве припоя и стабильность промежуточного интерметаллического соединения. Никель, добавляемый в сплав олово-медь и способствующий формированию эвтектики, также стабилизирует промежуточный слой интерметаллического соединения, образуемого на поверхности медной контактной площадки. Это соединение, в свою очередь, служит барьером для растворения меди в расплаве припоя и тем самым препятствует излишней ее потери (рис.2). Даже при высоком качестве нанесенного HASL финишного покрытия паяемость теряется, если слой интерметаллического соединения достигает внешней поверхности покрытия и поглощает все олово. Низкая скорость наращивания этого слоя гарантирует сохранение паяемости даже при высокой температуре обработки.
В качестве бессвинцового припоя применяют и сплав SAC305, содержащий серебро (Sn 3,0Ag 0,5Cu). По надежности он сопоставим с обычными оловянно-свинцовыми припоями, но степень растворения меди в его расплаве выше, чем у SnCuNiGe.
ОборудованиЕ для формирования бессвинцового HASL-покрытия
Точка плавления бессвинцового сплава на 44°С выше, чем у оловянно-свинцового, поэтому при проведении бессвинцового HASL-процесса необходимо более точно регулировать температуру плавления, чем при нанесении оловянно-свинцового покрытия. Производители оборудования отреагировали на это требование увеличением нагревательной способности установок, а также изоляцией паяльной ванны и совершенствованием средств управления температурой. Поскольку скорость нагрева пропорциональна разности температур платы и припоя, для быстрейшего смачивания медной контактной площадки желательно, чтобы температура припоя была выше температуры платы. Скорость нагрева также зависит от эффективности распространения тепла вдоль поверхности раздела припой-медный контакт. В линиях горизонтальной HASL-обработки скорость теплового потока вдоль плат высокая, а благодаря поточной обработке возможен предварительный нагрев платы, и в результате припой можно нагревать до менее высокой температуры. В вертикальных HASL-установках для нанесения бессвинцового покрытия необходимо увеличить скорость циркуляции припоя.
Температура паяльной ванны при финишном покрытии одно- и простых двухсторонних плат составляет 260°С, тогда как для многослойных плат она может достигать 280°С. Но при этом температура ламината за несколько секунд, требуемых для нанесения покрытия, не достигает столь высокого значения, и в нем не возникают повреждения. Температура воздуха на выходе панели из ванны обычно устанавливается примерно равной температуре паяльной ванны.
Такие показатели, как давление воздуха воздушных ножей, их расстояние до панели с платами и угол по отношению к платам зависят от конкретных характеристик установки. Но при этом на каждую контактную площадку необходимо наносить припой, достаточный для ее полного покрытия. При нанесении оловянно-свинцовых финишных покрытий из-за их неоднородности по толщине для получения как можно более плоской поверхности большая часть покрытия "сдувается". При проведении бессвинцового HASL-процесса такой подход может привести к неполному покрытию интерметаллического соединения припоем и тем самым к ухудшению паяемости.
Большое значение имеет и фактор растворения меди в расплаве припоя, в результате чего ее содержание в паяльной ванне быстро превышает 1%. При увеличении содержания меди возрастает температура жидкой фазы припоя, что приводит к выпадению игольчатых кристаллов интерметаллического композита. Поскольку плотность таких кристаллов больше, чем у припоя, они опускаются на дно ванны, откуда их можно удалить. Однако возможно и образование частиц композита, всплывающих на поверхность расплава припоя. Правда, скорость растворения меди уменьшается с увеличением ее содержания в расплаве, поэтому некоторые операторы устанавливают уровень содержания меди в расплаве равным 1,2% и повышают температуру припоя для удержания меди в растворе.
Толщина покрытия
Толщина финишного HASL-покрытия зависит от количества припоя на контактной площадке после обработки воздушными ножами и от силы поверхностного натяжения. При этом чем меньше размер контактной площадки, тем больше толщина покрытия. Из-за более высокого поверхностного натяжения бессвинцового покрытия его толщина меньше и более однородна, чем у оловянно-свинцового покрытия при одинаковых условиях нанесения (рис.3). Типичное значение толщины SnCuNiGe финишного HASL-покрытия, наносимого на контактные площадки для монтажа в корпус с матрицей шариковых выводов (BGA), составляет 10-16 мкм. Но поверхностное натяжение приводит к утонению покрытия на краях сквозных отверстий. Тем не менее, считается, что если на плате осталось достаточное количество припоя, покрытие толщиной в 1,5 мкм обеспечивает хорошую паяемость сквозных отверстий даже после нескольких циклов пайки оплавлением бессвинцового припоя.
Испытания на наличие на поверхности финишного покрытия нитевидных кристаллов олова и сплавов олова в соответствии со стандартом JESD22A121, проведенные компанией Nihon Superior, показали, что такие кристаллы появляются на бессвинцовых покрытиях медных контактных площадок только там, где преднамеренно создавалось сжимающее напряжение и то лишь после работы в неблагоприятных условиях (например, при температуре 60°С и относительной влажности 87%) в течение 2 тыс. ч (рис.4). Отмечается, что при использовании сплава SnCuNiGe, не содержащего серебра, рост нитевидных кристаллов после снятия сжимающего напряжения прекращается, тогда как для SAC305 покрытия их рост продолжается, очевидно, вследствие напряжений, вызываемых коррозией в нагретой среде с высокой влажностью.
Стоимость бессвинцового HASL-процесса
Вследствие высокого содержания олова и в некоторых случаях серебра, бессвинцовые припои дороже в пересчете на массу, чем оловянно-свинцовые. Но с учетом всех затрат бессвинцовое HASL-производство ненамного дороже производства плат с оловянно-свинцовым припоем. Поскольку плотность бессвинцовых сплавов меньше, чем плотность свинцовых, для их финишного покрытия требуется на 12% меньшее количество сплава. Возможность получения покрытий меньшей толщины также позволяет уменьшить количество припоя на единицу обрабатываемой площади платы.
Пайка оплавлением припоя струей горячего газа
Пайка оплавлением струей горячего газа, или конденсационная пайка, используется с начала 1970-х годов для присоединения монтируемых на поверхность компонентов. В основном этот процесс нашел применение при сборке систем военного назначения и в меньшей степени промышленного оборудования. Это обусловлено такими недостатками первичного варианта технологии, как воздействие на окружающую среду используемых газообразных веществ, относительно низкая производительность, возможность сборки только на односторонние печатные платы и присущая ей проблема "поднятия компонента при пайке" (tombstoning).
Совершенствование оборудования, выбор соответствующих химических реагентов, разработка средств управления процессом позволили решить многие проблемы технологии конденсационной пайки. Современное оборудование позволяет обрабатывать двухсторонние платы, благодаря чему конденсационная пайка становится методом, пригодным для применения при массовом производстве печатных сборок. Сегодня при пайке оплавлением в струе горячего газа используется тепло, выделяемое кипящим фторированным полимером или жидкостью. Сборка печатной платы помещается в зону с однородной температурой, формируемой кипящей жидкостью, и выдерживается в ней до нагрева до этой температуры. Можно отметить следующие достоинства метода в сравнении с методами ИК- или конвекционной пайки:
* отсутствие необходимости применения азота, поскольку процесс протекает в инертной среде (без кислорода), что позволяет обойтись без активных химических реагентов для очистки бессвинцовых выводов компонентов. Инертная среда позволяет также уменьшить энергопотребление процесса. Все это приводит к снижению затрат на операцию пайки выводов;
* фиксированная температура процесса, задаваемая кипящей средой и равная 230-240°С против 245-265°С для ИК- и конвекционной пайки. Это позволяет снизить стоимость печатной платы за счет применения более низкотемпературных материалов. Только выбор соответствующего ламината позволяет уменьшить стоимость более чем на 10-15%;
* улучшенное смачивание припоя и теплопередача, что обеспечивает получение паяных соединений высокого качества, особенно при монтаже компонентов с большим числом выводов или блока компонентов. При монтаже компонентов, согласно рекомендации поставщиков паяльных паст, время выдержки после оплавления (Time Above Liquidus, TAL) не должно превышать 60-90 с. При конвекционной пайке обеспечить хорошие соединения компонентов с высокой теплоемкостью трудно, поскольку при TAL, требуемом для компонентов больших размеров, возможен перегрев приборов меньших размеров. При оплавлении припоя струей горячего газа температура процесса не превышает температуры газа;
* более простое определение температурного профиля платы. Для получения требуемого температурного профиля не нужно бесчисленное число раз проводить процесс оплавления опытных сборок печатных плат, оснащенных термоэлементами, и проверять вручную качество паяных соединений и наличие остатков флюса. Современные усовершенствованные системы конденсационной пайки благодаря контролю тепловой нагрузки в процессе пайки могут почти автоматически получать температурный профиль платы. Инженер независимо от номенклатуры монтируемых изделий может определять скорость нарастания максимальной температуры и время выдержки при ней. Нужный температурный профиль можно получить после первого процесса оплавления струей горячего газа одного опытного образца. Времена получения неадекватной или избыточной температуры плавления для первого образца практически "канули в лету".
Для оценки качества соединений, полученных методом оплавления припоя в струе горячего газа, компания EPIC Technologies (США) провела испытания стандартных плат с компонентами в различных широко используемых сегодня корпусах, в том числе BGA и QFP, присоединенных с помощью как конвекционной пайки, так и пайки оплавлением струей горячего газа. Тестируемые сборки подвергались термоциклированию в диапазоне -40...125°С с выдержкой в течение 20 мин при крайних значениях температуры. Было проведено 500, 1000 и 2000 циклов. Были также проведены испытания на старение при выдержке в течение 1000 ч при температуре 85°С и относительной влажности 85%. Испытания показали, что соединения с использованием бессвинцовых и содержащих свинец припоев, полученные методом оплавления горячим газом, не уступают по прочности соединениям, формируемым конвекционной пайкой. Результаты испытаний компонентов в BGA-корпусах на старение приведены в табл.1 и на прочность соединения - в табл.2.
Интересные результаты были получены при изучении широко дискутируемого сейчас вопроса о качестве паяных соединений компонентов в BGA-корпусах с оловянно-медными и SAC-выводами с использованием оловянно-свинцового припоя. В ходе испытаний было установлено, что при проведении пайки струей нагретого до температуры 230°С газа равномерное смачивание выводов упрощает получение прочных соединений, а благодаря относительно низкой температуре процесса вероятность перегрева термочувствительных компонентов мала.
Таким образом, благодаря контролируемой температуре, меньшей, чем при ИК- или конвекционной пайке, процесс пайки оплавлением струей нагретого газа перспективен для формирования сложных сборок с чувствительными к повышенной температуре компонентами в бессвинцовых корпусах, монтируемых на поверхность, и является жизнеспособной альтернативой методу конвекционной пайки
До принятия Европейским союзом директивы RoHS для нанесения на медные контактные площадки печатных плат оловянно-свинцового (обычно Sn-37Pb) финишного покрытия под пайку американскими и европейскими компаниями широко использовался HASL-процесс. Он распространен и на японских предприятиях, но доля плат, прошедших HASL-обработку, на японском рынке невелика. Это связано с тем, что на этом рынке преобладают бытовые электронные устройства, и с целью обеспечения их быстрого продвижения используются органические финишные покрытия (OSP).
Популярность HASL объясняется хорошо отлаженной технологией нанесения финишного покрытия, высокой прочностью паяного соединения с медными контактными площадками, его способностью выдерживать многократное термоциклирование. Основная ценность нанесенного HASL финишного покрытия - наличие интерметаллического соединения, расположенного между припоем и увлажненным им медным контактом. И еще одно достоинство HASL - при выполнении процесса надлежащим образом паяемость покрытия сохраняется в течение продолжительного периода без дополнительной защиты или специальных условий хранения. Однако после вступления в силу в июле 2006 года директивы RoHS многие эксперты решили, что HASL-процесс не найдет применения в бессвинцовой технологии, поскольку ему присущи следующие недостатки:
* необходимость нагрева до высокой температуры, что может привести к деформации платы;
* проблема копланарности из-за неоднородной толщины покрытия контактных площадок;
* проблема уплотняющей прокладки, связанная с неравномерностью покрытия по толщине и образованием грибовидных шляпок на контактных площадках малых размеров;
* выделение паров в процессе нанесения HASL-покрытий, что считается несовместимым с требованиями современного производства.
Однако на практике эти проблемы не привели к отказу от применения HASL в бессвинцовом производстве. Этот процесс, но уже без свинца, осваивается в Европе с 2002 года. И в 2008 году в мире функционировало более 400 линий бессвинцового горячего лужения, причем около 100 из них - в Китае. В среднем каждый месяц в строй вводятся пять таких новых линий.
Если плата не подвергается HASL-обработке более двух раз и/или температура пайки не превышает допустимую, HASL-процесс не вызывает повреждения ламинатов спецификаций CEM-1, CEM-2 и FR-2.
А по мере увеличения термостойкости материалов вероятность их повреждения уменьшается. Степень неоднородности финишного бессвинцового покрытия, наносимого HASL-проессом, примерно вдвое меньше, чем свинцового покрытия. Для плат, рассчитанных на монтаж компонентов больших размеров, копланарность покрытия достаточно высокая. Что же касается выделяемого тепла и паров, то современные производственные бессвинцовые HASL-линии конструируются так, чтобы соблюдались условия, не нарушающие работу другого оборудования современного предприятия по производству печатных плат.
Бессвинцовый HASL-процесс
Как уже отмечалось, одно из основных достоинств HASL-технологии - отработанный, простой процесс нанесения финишного покрытия. После предварительной очистки печатная плата с нанесенным флюсом контактирует с расплавом припоя в течение достаточного для смачивания медной контактной площадки времени. Избыточный припой "сдувается" воздушным ножом (потоком воздуха, температура которого превышает точку плавления припоя). После отверждения покрытия под пайку с платы смываются остатки флюса, и она сушится. Наиболее гладкое и блестящее покрытие получают при воздушном охлаждении платы.
Сегодня в большинстве промышленных бессвинцовых HASL-линиях используется вертикальный процесс нанесения высококачественного покрытия. Согласно этому процессу, в ванну с припоем вертикально на 2-3 с опускают панель с укрепленными на ней платами. При подъеме платы проходят между воздушными ножами, которые очищают сквозные отверстия плат и формируют требуемую толщину припоя на всех контактных площадках, где нужно финишное покрытие под пайку. В ходе последующих операций очистки и сушки оператор может проверять качество покрытия.
Правда, пока платы, как правило, крепятся и снимаются с панели вручную, хотя уже появились автоматизированные линии вертикальной обработки, выполняющие и операции нанесения флюса, и предварительного нагрева, и последующей промывки и сушки.
Горизонтальный HASL-процесс подобен вертикальному, но плата не погружается в ванну с припоем, а припой на нее наносится с помощью форсунки или при прохождении валиков с припоем. Панель с платами также обрабатывается воздушными ножами, промывается и сушится. Процесс горизонтальной обработки легко объединяется с другими операциями современной линии по производству печатных плат (рис.1), при этом время нанесения покрытия составляет доли секунды. Финишное покрытие, наносимое горизонтальным методом, отличается большей однородностью по толщине, поскольку в отличие от вертикального процесса, припой не стремится под действием силы тяжести переместиться к нижнему краю контактной площадки, а равномерно распределяется по ее поверхности. Тем не менее, вертикальный процесс пока доминирует при производстве печатных плат.
Припои для бессвинцового HASL
По своему эвтектическому составу припои, используемые при бессвинцовом горячем лужении, не должны отличаться от сплава Sn-37Pb, считающегося образцовым для HASL-процесса. Поэтому при проведении бессвинцового HASL-процесса предпочтение отдано сплаву SnCuNiGe. Его эвтектику определяет сплав SnCu, в состав которого добавлены никель для лучшего формирования эвтектики и германий для контроля окисления в жидком и твердом состояниях. К тому же к достоинствам сплава SnCuNiGe относятся низкая скорость растворения меди в расплаве припоя и стабильность промежуточного интерметаллического соединения. Никель, добавляемый в сплав олово-медь и способствующий формированию эвтектики, также стабилизирует промежуточный слой интерметаллического соединения, образуемого на поверхности медной контактной площадки. Это соединение, в свою очередь, служит барьером для растворения меди в расплаве припоя и тем самым препятствует излишней ее потери (рис.2). Даже при высоком качестве нанесенного HASL финишного покрытия паяемость теряется, если слой интерметаллического соединения достигает внешней поверхности покрытия и поглощает все олово. Низкая скорость наращивания этого слоя гарантирует сохранение паяемости даже при высокой температуре обработки.
В качестве бессвинцового припоя применяют и сплав SAC305, содержащий серебро (Sn 3,0Ag 0,5Cu). По надежности он сопоставим с обычными оловянно-свинцовыми припоями, но степень растворения меди в его расплаве выше, чем у SnCuNiGe.
ОборудованиЕ для формирования бессвинцового HASL-покрытия
Точка плавления бессвинцового сплава на 44°С выше, чем у оловянно-свинцового, поэтому при проведении бессвинцового HASL-процесса необходимо более точно регулировать температуру плавления, чем при нанесении оловянно-свинцового покрытия. Производители оборудования отреагировали на это требование увеличением нагревательной способности установок, а также изоляцией паяльной ванны и совершенствованием средств управления температурой. Поскольку скорость нагрева пропорциональна разности температур платы и припоя, для быстрейшего смачивания медной контактной площадки желательно, чтобы температура припоя была выше температуры платы. Скорость нагрева также зависит от эффективности распространения тепла вдоль поверхности раздела припой-медный контакт. В линиях горизонтальной HASL-обработки скорость теплового потока вдоль плат высокая, а благодаря поточной обработке возможен предварительный нагрев платы, и в результате припой можно нагревать до менее высокой температуры. В вертикальных HASL-установках для нанесения бессвинцового покрытия необходимо увеличить скорость циркуляции припоя.
Температура паяльной ванны при финишном покрытии одно- и простых двухсторонних плат составляет 260°С, тогда как для многослойных плат она может достигать 280°С. Но при этом температура ламината за несколько секунд, требуемых для нанесения покрытия, не достигает столь высокого значения, и в нем не возникают повреждения. Температура воздуха на выходе панели из ванны обычно устанавливается примерно равной температуре паяльной ванны.
Такие показатели, как давление воздуха воздушных ножей, их расстояние до панели с платами и угол по отношению к платам зависят от конкретных характеристик установки. Но при этом на каждую контактную площадку необходимо наносить припой, достаточный для ее полного покрытия. При нанесении оловянно-свинцовых финишных покрытий из-за их неоднородности по толщине для получения как можно более плоской поверхности большая часть покрытия "сдувается". При проведении бессвинцового HASL-процесса такой подход может привести к неполному покрытию интерметаллического соединения припоем и тем самым к ухудшению паяемости.
Большое значение имеет и фактор растворения меди в расплаве припоя, в результате чего ее содержание в паяльной ванне быстро превышает 1%. При увеличении содержания меди возрастает температура жидкой фазы припоя, что приводит к выпадению игольчатых кристаллов интерметаллического композита. Поскольку плотность таких кристаллов больше, чем у припоя, они опускаются на дно ванны, откуда их можно удалить. Однако возможно и образование частиц композита, всплывающих на поверхность расплава припоя. Правда, скорость растворения меди уменьшается с увеличением ее содержания в расплаве, поэтому некоторые операторы устанавливают уровень содержания меди в расплаве равным 1,2% и повышают температуру припоя для удержания меди в растворе.
Толщина покрытия
Толщина финишного HASL-покрытия зависит от количества припоя на контактной площадке после обработки воздушными ножами и от силы поверхностного натяжения. При этом чем меньше размер контактной площадки, тем больше толщина покрытия. Из-за более высокого поверхностного натяжения бессвинцового покрытия его толщина меньше и более однородна, чем у оловянно-свинцового покрытия при одинаковых условиях нанесения (рис.3). Типичное значение толщины SnCuNiGe финишного HASL-покрытия, наносимого на контактные площадки для монтажа в корпус с матрицей шариковых выводов (BGA), составляет 10-16 мкм. Но поверхностное натяжение приводит к утонению покрытия на краях сквозных отверстий. Тем не менее, считается, что если на плате осталось достаточное количество припоя, покрытие толщиной в 1,5 мкм обеспечивает хорошую паяемость сквозных отверстий даже после нескольких циклов пайки оплавлением бессвинцового припоя.
Испытания на наличие на поверхности финишного покрытия нитевидных кристаллов олова и сплавов олова в соответствии со стандартом JESD22A121, проведенные компанией Nihon Superior, показали, что такие кристаллы появляются на бессвинцовых покрытиях медных контактных площадок только там, где преднамеренно создавалось сжимающее напряжение и то лишь после работы в неблагоприятных условиях (например, при температуре 60°С и относительной влажности 87%) в течение 2 тыс. ч (рис.4). Отмечается, что при использовании сплава SnCuNiGe, не содержащего серебра, рост нитевидных кристаллов после снятия сжимающего напряжения прекращается, тогда как для SAC305 покрытия их рост продолжается, очевидно, вследствие напряжений, вызываемых коррозией в нагретой среде с высокой влажностью.
Стоимость бессвинцового HASL-процесса
Вследствие высокого содержания олова и в некоторых случаях серебра, бессвинцовые припои дороже в пересчете на массу, чем оловянно-свинцовые. Но с учетом всех затрат бессвинцовое HASL-производство ненамного дороже производства плат с оловянно-свинцовым припоем. Поскольку плотность бессвинцовых сплавов меньше, чем плотность свинцовых, для их финишного покрытия требуется на 12% меньшее количество сплава. Возможность получения покрытий меньшей толщины также позволяет уменьшить количество припоя на единицу обрабатываемой площади платы.
Пайка оплавлением припоя струей горячего газа
Пайка оплавлением струей горячего газа, или конденсационная пайка, используется с начала 1970-х годов для присоединения монтируемых на поверхность компонентов. В основном этот процесс нашел применение при сборке систем военного назначения и в меньшей степени промышленного оборудования. Это обусловлено такими недостатками первичного варианта технологии, как воздействие на окружающую среду используемых газообразных веществ, относительно низкая производительность, возможность сборки только на односторонние печатные платы и присущая ей проблема "поднятия компонента при пайке" (tombstoning).
Совершенствование оборудования, выбор соответствующих химических реагентов, разработка средств управления процессом позволили решить многие проблемы технологии конденсационной пайки. Современное оборудование позволяет обрабатывать двухсторонние платы, благодаря чему конденсационная пайка становится методом, пригодным для применения при массовом производстве печатных сборок. Сегодня при пайке оплавлением в струе горячего газа используется тепло, выделяемое кипящим фторированным полимером или жидкостью. Сборка печатной платы помещается в зону с однородной температурой, формируемой кипящей жидкостью, и выдерживается в ней до нагрева до этой температуры. Можно отметить следующие достоинства метода в сравнении с методами ИК- или конвекционной пайки:
* отсутствие необходимости применения азота, поскольку процесс протекает в инертной среде (без кислорода), что позволяет обойтись без активных химических реагентов для очистки бессвинцовых выводов компонентов. Инертная среда позволяет также уменьшить энергопотребление процесса. Все это приводит к снижению затрат на операцию пайки выводов;
* фиксированная температура процесса, задаваемая кипящей средой и равная 230-240°С против 245-265°С для ИК- и конвекционной пайки. Это позволяет снизить стоимость печатной платы за счет применения более низкотемпературных материалов. Только выбор соответствующего ламината позволяет уменьшить стоимость более чем на 10-15%;
* улучшенное смачивание припоя и теплопередача, что обеспечивает получение паяных соединений высокого качества, особенно при монтаже компонентов с большим числом выводов или блока компонентов. При монтаже компонентов, согласно рекомендации поставщиков паяльных паст, время выдержки после оплавления (Time Above Liquidus, TAL) не должно превышать 60-90 с. При конвекционной пайке обеспечить хорошие соединения компонентов с высокой теплоемкостью трудно, поскольку при TAL, требуемом для компонентов больших размеров, возможен перегрев приборов меньших размеров. При оплавлении припоя струей горячего газа температура процесса не превышает температуры газа;
* более простое определение температурного профиля платы. Для получения требуемого температурного профиля не нужно бесчисленное число раз проводить процесс оплавления опытных сборок печатных плат, оснащенных термоэлементами, и проверять вручную качество паяных соединений и наличие остатков флюса. Современные усовершенствованные системы конденсационной пайки благодаря контролю тепловой нагрузки в процессе пайки могут почти автоматически получать температурный профиль платы. Инженер независимо от номенклатуры монтируемых изделий может определять скорость нарастания максимальной температуры и время выдержки при ней. Нужный температурный профиль можно получить после первого процесса оплавления струей горячего газа одного опытного образца. Времена получения неадекватной или избыточной температуры плавления для первого образца практически "канули в лету".
Для оценки качества соединений, полученных методом оплавления припоя в струе горячего газа, компания EPIC Technologies (США) провела испытания стандартных плат с компонентами в различных широко используемых сегодня корпусах, в том числе BGA и QFP, присоединенных с помощью как конвекционной пайки, так и пайки оплавлением струей горячего газа. Тестируемые сборки подвергались термоциклированию в диапазоне -40...125°С с выдержкой в течение 20 мин при крайних значениях температуры. Было проведено 500, 1000 и 2000 циклов. Были также проведены испытания на старение при выдержке в течение 1000 ч при температуре 85°С и относительной влажности 85%. Испытания показали, что соединения с использованием бессвинцовых и содержащих свинец припоев, полученные методом оплавления горячим газом, не уступают по прочности соединениям, формируемым конвекционной пайкой. Результаты испытаний компонентов в BGA-корпусах на старение приведены в табл.1 и на прочность соединения - в табл.2.
Интересные результаты были получены при изучении широко дискутируемого сейчас вопроса о качестве паяных соединений компонентов в BGA-корпусах с оловянно-медными и SAC-выводами с использованием оловянно-свинцового припоя. В ходе испытаний было установлено, что при проведении пайки струей нагретого до температуры 230°С газа равномерное смачивание выводов упрощает получение прочных соединений, а благодаря относительно низкой температуре процесса вероятность перегрева термочувствительных компонентов мала.
Таким образом, благодаря контролируемой температуре, меньшей, чем при ИК- или конвекционной пайке, процесс пайки оплавлением струей нагретого газа перспективен для формирования сложных сборок с чувствительными к повышенной температуре компонентами в бессвинцовых корпусах, монтируемых на поверхность, и является жизнеспособной альтернативой методу конвекционной пайки
Отзывы читателей
