Образование пустот в паяных соединениях - одно из явлений, присущих пайке оплавлением. Пустоты отрицательно влияют на механические свойства паяных соединений, тепловой режим работы электронных компонентов, представляя собой препятствие для отвода тепла, и могут влиять на надежность паяных соединений. Особый интерес представляют пустоты, которые могут возникнуть в паяных соединениях корпусов с матричным расположением шариковых выводов (BGA).
В паяных соединениях корпусов типа BGA можно выделить следующие типы пустот (см. таблицу):
* макропустоты;
* планарные микропустоты;
* усадочные микропустоты;
* пустоты в микропереходных отверстиях;
* пустоты типа булавочных наколов;
* киркендалловы пустоты.
Макропустоты встречаются в паяных соединениях чаще всего (рис.1). Причина их возникновения - газовыделения из флюса паяльной пасты во время пайки. Макропустоты, как правило, не влияют на надежность паяных соединений, если не располагаются по границам раздела контактных площадок и выводов, вдоль которых обычно распространяются трещины. Типичный их размер составляет 100-300 мкм. Это единственный тип пустот, для которых стандарт на критерии качества электронных сборок IPC-A-610D устанавливает максимально допустимый размер - 25% от площади паяного соединения.
Планарные микропустоты, или так называемые "пузырьки шампанского" представляют собой серию небольших пустот, располагающихся приблизительно в одной плоскости на поверхности раздела между контактными площадками (КП) платы и припоем (рис.2). Обычно они возникают в случае применения контактных площадок типа SMD (ограниченных паяльной маской). Причина их появления до конца не ясна. Согласно одной из гипотез, к возникновению пустот этого типа приводят каверны меди на контактных площадках под слоем финишного покрытия иммерсионным серебром (ImAg). Эти пустоты не влияют на первоначальное качество изделия, но могут привести к снижению долговременной надежности паяных соединений. Их можно устранить путем строгого соблюдения составов всех применяемых при нанесении покрытий ImAg растворов и травителей, а также непрерывного контроля других критических параметров процесса нанесения финишных покрытий на поверхность плат.
Усадочные пустоты вызывает усадка при затвердевании, в основном, сплавов олова, серебра и меди (SAC) и других бессвинцовых припоев (рис.3). Они обычно не возникают вблизи поверхности контакта припоя с площадками платы и не ухудшают надежность паяных соединений. Появление усадочных пустот можно свести к минимуму, увеличив скорость охлаждения после пайки. Следует также избегать возмущающих воздействий на паяные соединения во время затвердевания (например, вибрации конвейера). Несмотря на то, что они выглядят как трещины, трещинами они не являются и на надежность паяных соединений не влияют.
Пустоты из-за микропереходных отверстий обусловлены наличием микропереходов в контактных площадках платы (рис.4). Крупные пустоты в микропереходах в случае их появления в паяных соединениях, расположенных в высоконагруженных областях корпуса, могут повлиять на надежность соединений. Уменьшить до минимума образование пустот этого типа можно, закрывая отверстия микропереходов финишным покрытием или полностью заполняя их паяльной пастой, выполнив трафаретную печать в два прохода.
Пустоты типа "булавочный накол" могут повлиять на надежность паяных соединений, так как располагаются внутри или сразу над слоем интерметаллидов (рис.5). Пустоты этого типа появляются вследствие того, что реактивы, попавшие в наколы на медных контактных площадках платы при ее изготовлении, испаряются в процессе пайки оплавлением. Наколы возникают из-за отклонений в технологическом процессе нанесения меди у производителя плат. Они могут быть устранены за счет современных систем контроля процесса нанесения медных покрытий.
Киркендалловы микропустоты (рис.6) возникают в интерметаллических соединениях, образующихся между медью и припоями с высоким содержанием олова, включая SAC и оловянно-свинцовые припои. Микропустоты этого типа формируются не сразу после процесса пайки, а после высокотемпературного старения или во время термоциклирования паяных соединений. Их название связано с эффектом Киркендалла, позволяющего объяснить механизм образования этих пустот. Эффект Киркендалла - смещение границы раздела двух веществ вследствие различия диффузионных потоков одного вещества в другое. При этом из-за разности этих потоков вблизи границы раздела появляется пористость. Пустоты этого типа не могут быть обнаружены с помощью рентгеновского контроля. Они могут влиять на надежность паяных соединений, особенно при разрушении хрупкого слоя интерметаллидов при падении или механическом ударе. Один из способов уменьшения числа киркендалловых микропустот - легирование припоя определенными элементами, в частности, цинком.
Литература
1. Стандарт IPC-7095B.
2. Материалы исследований компании Intel.
* макропустоты;
* планарные микропустоты;
* усадочные микропустоты;
* пустоты в микропереходных отверстиях;
* пустоты типа булавочных наколов;
* киркендалловы пустоты.
Макропустоты встречаются в паяных соединениях чаще всего (рис.1). Причина их возникновения - газовыделения из флюса паяльной пасты во время пайки. Макропустоты, как правило, не влияют на надежность паяных соединений, если не располагаются по границам раздела контактных площадок и выводов, вдоль которых обычно распространяются трещины. Типичный их размер составляет 100-300 мкм. Это единственный тип пустот, для которых стандарт на критерии качества электронных сборок IPC-A-610D устанавливает максимально допустимый размер - 25% от площади паяного соединения.
Планарные микропустоты, или так называемые "пузырьки шампанского" представляют собой серию небольших пустот, располагающихся приблизительно в одной плоскости на поверхности раздела между контактными площадками (КП) платы и припоем (рис.2). Обычно они возникают в случае применения контактных площадок типа SMD (ограниченных паяльной маской). Причина их появления до конца не ясна. Согласно одной из гипотез, к возникновению пустот этого типа приводят каверны меди на контактных площадках под слоем финишного покрытия иммерсионным серебром (ImAg). Эти пустоты не влияют на первоначальное качество изделия, но могут привести к снижению долговременной надежности паяных соединений. Их можно устранить путем строгого соблюдения составов всех применяемых при нанесении покрытий ImAg растворов и травителей, а также непрерывного контроля других критических параметров процесса нанесения финишных покрытий на поверхность плат.
Усадочные пустоты вызывает усадка при затвердевании, в основном, сплавов олова, серебра и меди (SAC) и других бессвинцовых припоев (рис.3). Они обычно не возникают вблизи поверхности контакта припоя с площадками платы и не ухудшают надежность паяных соединений. Появление усадочных пустот можно свести к минимуму, увеличив скорость охлаждения после пайки. Следует также избегать возмущающих воздействий на паяные соединения во время затвердевания (например, вибрации конвейера). Несмотря на то, что они выглядят как трещины, трещинами они не являются и на надежность паяных соединений не влияют.
Пустоты из-за микропереходных отверстий обусловлены наличием микропереходов в контактных площадках платы (рис.4). Крупные пустоты в микропереходах в случае их появления в паяных соединениях, расположенных в высоконагруженных областях корпуса, могут повлиять на надежность соединений. Уменьшить до минимума образование пустот этого типа можно, закрывая отверстия микропереходов финишным покрытием или полностью заполняя их паяльной пастой, выполнив трафаретную печать в два прохода.
Пустоты типа "булавочный накол" могут повлиять на надежность паяных соединений, так как располагаются внутри или сразу над слоем интерметаллидов (рис.5). Пустоты этого типа появляются вследствие того, что реактивы, попавшие в наколы на медных контактных площадках платы при ее изготовлении, испаряются в процессе пайки оплавлением. Наколы возникают из-за отклонений в технологическом процессе нанесения меди у производителя плат. Они могут быть устранены за счет современных систем контроля процесса нанесения медных покрытий.
Киркендалловы микропустоты (рис.6) возникают в интерметаллических соединениях, образующихся между медью и припоями с высоким содержанием олова, включая SAC и оловянно-свинцовые припои. Микропустоты этого типа формируются не сразу после процесса пайки, а после высокотемпературного старения или во время термоциклирования паяных соединений. Их название связано с эффектом Киркендалла, позволяющего объяснить механизм образования этих пустот. Эффект Киркендалла - смещение границы раздела двух веществ вследствие различия диффузионных потоков одного вещества в другое. При этом из-за разности этих потоков вблизи границы раздела появляется пористость. Пустоты этого типа не могут быть обнаружены с помощью рентгеновского контроля. Они могут влиять на надежность паяных соединений, особенно при разрушении хрупкого слоя интерметаллидов при падении или механическом ударе. Один из способов уменьшения числа киркендалловых микропустот - легирование припоя определенными элементами, в частности, цинком.
Литература
1. Стандарт IPC-7095B.
2. Материалы исследований компании Intel.
Отзывы читателей
