Более 60 % дефектов конечной продукции, выполненных по технологии поверхностного монтажа, связаны со свойствами паяльной пастой и процессом ее нанесения на печатную плату [1]. Еще 15 % дефектов появляются в процессе оплавления паяльной пасты. Недавно удалось разработать методику оценки пасты, позволяющую при минимуме экспериментов получать наиболее полную информацию о пасте и ее технологичности.
Стоимость расходуемой паяльной пасты составляет всего только 0,05% от цены конечного электронного устройства [2], но влияние её на рабочие характеристики и надежность изделий весьма велико. Учитывая это, чрезвычайно важно систематически определять характеристики паяльной пасты. Исследования показывают, что более 60% дефектов при изготовлении печатных узлов по технологии поверхностного монтажа (SMT) обусловлены свойствами паяльной пастой и процессом ее нанесения на плату (процессом печати). Еще 15% дефектов появляются в процессе оплавления пасты. Как это ни странно, до сих пор нет документации, регламентирующей процедуру оценки паяльной пасты. Учитывая скорое введение в действие директивы по ограничению опасных веществ (RoHS), все актуальнее становится потребность в такой упрощённой высокоэффективной процедуре. Недавно на основе проведенных экспериментов и измерений критических параметров процесса пайки удалось разработать методику оценки пасты, позволяющую получать наиболее полную информацию о пасте и её технологичности, сократив объём экспериментов.
Эксперименты проводились на 12 печатных платах, что обеспечило статистическую достоверность результатов. Исследованы такие показатели, как объем наносимой на плату пасты и четкость рисунка (непосредственно и после паузы); остатки пасты на ракеле, усадка пасты и ее клейкость; прохождение пасты через отверстия трафарета и качество паяного соединения. Были рассмотрены параметры оплавления, поверхностное сопротивление, образование шариков припоя и смачивание.
Основные параметры паяльных паст
Высокое качество конечного изделия зависит от правильного нанесения паяльной пасты на контактную площадку. Имеет значения форма оттиска (блока паяльной пасты на площадке печатного блока) и его оптимальная объемная консистенция. Излишняя паяльная паста в таком блоке может привести к коротким замыканиям, а её недостаток – к отсутствию контакта. Выбор паяльной пасты с необходимыми параметрами и контроль процесса ее нанесения на соответствие установленным спецификациям может значительно повысить качество изделий. Эффективное средство такого контроля – программа статистического контроля процесса (SPC), обеспечивающая параметры блока пасты в пределах заданного норматива [3].
Большинство современных паяльных паст, содержащих свинец, обеспечивают относительно хорошее оплавление, а разброс характеристик этого процесса существенно ниже, чем для процесса печати. К сожалению, бессвинцовые паяльные пасты не обеспечивают такой стабильности характеристик оплавления. Для бессвинцовых паяльных паст важны два критерия:
· работоспособность в широком температурном диапазоне и допустимое время нагрева выше температуры плавления;
· хорошее соединение припоя после оплавления.
На рис. 1 отображены девять профилей оплавления для паяльной пасты 95,5Sn /3,8Ag/0,7Cu. Эта паяльная паста продемонстрировала хорошую смачиваемость и адгезию при оплавлении по всем девяти профилям [4].
Клейкость пасты – это ее способность удерживать компонент на печатной плате. При этом сила крепления компонентов должна оставаться постоянной в течение некоторого времени. К сожалению, со временем клейкость изменяется. Полезная схема для градации оценки клейкости пасты была предложена компанией Indium Corporation в 2003 году [5].
Стандарты J-STD-004 и J-STD-005 (IPC-TM-650) определяют объем испытаний, связанных с определением поверхностного сопротивления, вероятности образования шариков припоя, усадки пасты, коэффициента смачивания и показателей электромиграции. Большинство компаний, производящих паяльную пасту, проводят эти испытания в разумных пределах и информация, которая предоставляется в отчетных материалах, может использоваться для оценки её качества. После выбора наиболее подходящих паст на основе этих материалов целесообразно провести их практические испытания.
Отборочные испытания для паяльной пасты
Учитывая важность печати с использованием трафарета и тот факт, что большинство поставщиков паяльных паст тщательно проверяют и документируют результаты испытаний своих паст в соответствии с требованиями стандартов J-STD-004 и J-STD-005 (IPC-TM-650), отборочные испытания с визуальным анализом могут быстро отделить пасты-победители от аутсайдеров. На семинаре по технологии поверхностного монтажа в Торонто (Канада) в 1998 году был предложен метод, который не включал в себя измерение параметров всего блока пасты на контактной площадке и требовал проведения испытаний на 27 платах [6]. Предлагаемый нами процесс требует только 12 печатных плат (рис.2).
В соответствии с предлагаемой методикой оценки, процесс начинается с подготовки достаточного объема пасты для печати 12 плат. Исключается какое-либо перемешивание пасты до печати. На первом этапе паста наносится на четыре платы. Трафареты при печати не вытираются. Измеряются такие параметры, как объем нанесенной пасты, четкость оттиска, прохождение пасты через отверстия трафарета и остатки пасты на ракеле. Две платы из четырех выдерживаются до следующих испытаний в течение двух часов, а две другие – в течение шести часов. Затем на платах размещают нужные компоненты и измеряют клейкость пасты (прилипание компонентов). Далее одна паста из каждого набора выдерживается до начала оплавления в течение одного часа, а вторая – в течение трех часов.
На втором этапе испытаний (см. рис. 2) пасту выдерживают в течение одного часа, а затем проводят уже упомянутый процесс тестирования (еще четыре платы). На третьем этапе пасту выдерживают в течение еще одного часа и процесс повторяется снова на оставшихся четырех платах. По результатам измерений консистенции нанесенной пасты и четкости рисунка испытаний можно сразу исключить тестируемую пасту, что существенно сокращает объем испытаний.
В предложенной методике не рассматривается стойкость паяльной пасты к разжижению. Этот параметр важен при печати с высоким расходом пасты, когда паяльная паста наносится непрерывно или с малыми интервалами (т.е. без промежуточных операций). По своей природе паяльные пасты относятся к тиксотропным веществам, у которых вязкость падает при механическом воздействии и восстанавливается при его прекращении. При трафаретной печати ракель создает давление на пасту, что понижает её вязкость и способствует лучшему заполнению отверстия трафарета. После окончания механического воздействия паста восстанавливает свою первоначальную вязкость.
При непрерывной печати времени на восстановление вязкости может оказаться недостаточно. Тогда вязкость пасты будет постепенно снижаться, что влечет усадки и появление паразитных контактов на плате. Чтобы оценить вероятность этого явления, необходимо провести тестирование нескольких плат. Однако можно смоделировать это процесс на трафаретном принтере, включив 50–100 раз операцию перемешивания пасты. После этого можно визуально оценить форму оттиска и расход пасты при печати.
Проведен анализ поведения трех неочищенных паяльных паст в процессе оценки пасты с использованием 12 плат. Печать проводилась с трафаретом, имеющим апертуры размером в 6 мил (1 мил = 2,54 мкм), предназначенные для корпусов с четырехсторонним расположением выводов типа QFP-208 при размере корпуса 0,5 мм. Для измерения объема нанесенной пасты использовались 20 отверстий, средний объем каждого из них – 7,968 мил3. Полученные результаты оказались впечатляющими (рис.3). Каждая точка графика представляет усредненный объем расхода пасты для 20 отверстий на каждой плате при последовательной их печати.
Как видно из рис.3, консистенция пасты № 3 плохая, поскольку расход изменялся в пределах от 5400 до 9050 мил3. Эта паста продемонстрировала и недопустимую реакцию на одночасовую паузу – после каждой из двух таких пауз расход пасты существенно снижался. Среднее значение расхода пасты составило 8206 мил3, то есть средняя эффективность переноса (ЭП) равна 1,03 при среднеквадратичном отклонении 1047 мил3. Паста №1 показала наибольший расход, в среднем 8616 мил3 (средняя ЭП = 1,08) со среднеквадратичным отклонением 279 мил3. Паста № 2 оказалась на втором месте (средний расход 8745 мил3, средняя ЭП=1,10, среднеквадратичное отклонение 485 мил3).
Большинство программ статистического контроля технологического процесса (SPC) устанавливают предельные параметры на уровне ±3 среднеквадратичных отклонения. Исходя из этого критерия, лучшая из проверенных паст (№ 1) имеет допуск на дозировку 8616 ± 837 мил3 (или меньше чем 10 %). В большинстве случаев величина допуска колеблется в пределах ±20–30%. При таком допуске паста № 2 также может быть выбранной с допуском 16,6 %. По результатам проведенных испытаний отбраковывается только паста № 3.
В дополнение к оценке консистенции паяльной пасты как наиболее важного показателя, можно заметить, что этот параметр является и наиболее изменяющимся для различных паст. Поэтому, использование его в качестве главного критерия по выбору паст может экономить время при тестировании паст для трафаретной печати.
Пустоты и раковины: существенная трудность для бессвинцовой технологии?
Исследования пустот и раковин в бессвинцовых паяных соединениях показывают, что более высокое поверхностное натяжение расплава и более слабая смачиваемость бессвинцовых припоев провоцируют возникновение большого числа пустот по сравнению со свинцово-оловянными процессами [7]. Такое увеличение пустот в паяных соединениях ставит вопрос: будет ли это влиять на рабочие характеристики изделия и/или его надёжность? Совет по оценке качества паяльных материалов (SPVC) международного консорциума IPC заключил, что нет никакой прямой корреляции между количеством и размером пустот и надежностью изделий при термоциклических испытаниях [8].
Это означает, что простой рентгеновский анализ недостаточен для оценки надежности изделия. В частности, увеличение числа и размеров пустот может серьезно сказаться на изделиях, использующих монтаж СБИС в корпусах типа mBGA или CSP (chip-scale packages) посредством микропереходных отверстий. Если пустоты в микропереходных отверстиях под двумя соседними шариковыми выводами СБИС окажется достаточно большими, при оплавлении между этими выводами может образоваться перемычка, влекущая возможность возникновения короткого замыкания. Это повлечет переделки, причем на плате с дорогими компонентами. Поскольку уменьшить число и размера пустот может оптимизация профиля оплавления, этот параметр становится приоритетным при выборе идеальной паяльной пасты.
Заключение
Предложен метод оценки паяльной пасты с использованием 12 печатных плат. Хотя он включает в себя формирование оценок всех важных параметров, первой должна стоять оценка расхода паяльной пасты при печати. Исходя из того, что этот критерий является наиболее важным для высокого качества конечной продукции, первая часть анализа параметров на 12 платах может считаться отборочными испытаниями.
Автор выражает благодарность профессору Daryl Santos и Aniket Bhave за их вклад в написание этой статьи.
Тимоти Дженсен является специалистом по изделиям Indium Corporation of America.
Рональд К. Ласки – доктор философии, старший технолог Indium Corporation of America
Библиография
1. Jensen, Timothy, "Solder Paste Printing and Reflow" workshop, 2003.
2. Lasky, Ronald, "An Overview of the Electronics Industry," 2003.
3. Lasky, Ronald, "SPC Workshop," 2003.
4. Goudarzi, Vahid, "Lead-free Workshop," Plantation, FL, 2003; con tact rlasky@indium.com for a copy of the proceedings.
5. Lee, Ning-Cheng, "R&D Test Requirement for Solder Pastes," Indium Corporation, 2003.
6. Herber, Rob, et al., "The 27 Board Challenge," presented at SMT workshop, Toronto, Canada, 1998.
7. Jo, Hyoroon, et al., "Voiding of Lead-free Soldering at Microvia," SMTAI, 2003.
8. "The Effect of Voiding in Solder Interconnections Formed from Pb-free Solder Pastes with Sn/Ag/Cu." This paper is available for download at www.ipc.org.
Основные параметры паяльных паст
Высокое качество конечного изделия зависит от правильного нанесения паяльной пасты на контактную площадку. Имеет значения форма оттиска (блока паяльной пасты на площадке печатного блока) и его оптимальная объемная консистенция. Излишняя паяльная паста в таком блоке может привести к коротким замыканиям, а её недостаток – к отсутствию контакта. Выбор паяльной пасты с необходимыми параметрами и контроль процесса ее нанесения на соответствие установленным спецификациям может значительно повысить качество изделий. Эффективное средство такого контроля – программа статистического контроля процесса (SPC), обеспечивающая параметры блока пасты в пределах заданного норматива [3].
Большинство современных паяльных паст, содержащих свинец, обеспечивают относительно хорошее оплавление, а разброс характеристик этого процесса существенно ниже, чем для процесса печати. К сожалению, бессвинцовые паяльные пасты не обеспечивают такой стабильности характеристик оплавления. Для бессвинцовых паяльных паст важны два критерия:
· работоспособность в широком температурном диапазоне и допустимое время нагрева выше температуры плавления;
· хорошее соединение припоя после оплавления.
На рис. 1 отображены девять профилей оплавления для паяльной пасты 95,5Sn /3,8Ag/0,7Cu. Эта паяльная паста продемонстрировала хорошую смачиваемость и адгезию при оплавлении по всем девяти профилям [4].
Клейкость пасты – это ее способность удерживать компонент на печатной плате. При этом сила крепления компонентов должна оставаться постоянной в течение некоторого времени. К сожалению, со временем клейкость изменяется. Полезная схема для градации оценки клейкости пасты была предложена компанией Indium Corporation в 2003 году [5].
Стандарты J-STD-004 и J-STD-005 (IPC-TM-650) определяют объем испытаний, связанных с определением поверхностного сопротивления, вероятности образования шариков припоя, усадки пасты, коэффициента смачивания и показателей электромиграции. Большинство компаний, производящих паяльную пасту, проводят эти испытания в разумных пределах и информация, которая предоставляется в отчетных материалах, может использоваться для оценки её качества. После выбора наиболее подходящих паст на основе этих материалов целесообразно провести их практические испытания.
Отборочные испытания для паяльной пасты
Учитывая важность печати с использованием трафарета и тот факт, что большинство поставщиков паяльных паст тщательно проверяют и документируют результаты испытаний своих паст в соответствии с требованиями стандартов J-STD-004 и J-STD-005 (IPC-TM-650), отборочные испытания с визуальным анализом могут быстро отделить пасты-победители от аутсайдеров. На семинаре по технологии поверхностного монтажа в Торонто (Канада) в 1998 году был предложен метод, который не включал в себя измерение параметров всего блока пасты на контактной площадке и требовал проведения испытаний на 27 платах [6]. Предлагаемый нами процесс требует только 12 печатных плат (рис.2).
В соответствии с предлагаемой методикой оценки, процесс начинается с подготовки достаточного объема пасты для печати 12 плат. Исключается какое-либо перемешивание пасты до печати. На первом этапе паста наносится на четыре платы. Трафареты при печати не вытираются. Измеряются такие параметры, как объем нанесенной пасты, четкость оттиска, прохождение пасты через отверстия трафарета и остатки пасты на ракеле. Две платы из четырех выдерживаются до следующих испытаний в течение двух часов, а две другие – в течение шести часов. Затем на платах размещают нужные компоненты и измеряют клейкость пасты (прилипание компонентов). Далее одна паста из каждого набора выдерживается до начала оплавления в течение одного часа, а вторая – в течение трех часов.
На втором этапе испытаний (см. рис. 2) пасту выдерживают в течение одного часа, а затем проводят уже упомянутый процесс тестирования (еще четыре платы). На третьем этапе пасту выдерживают в течение еще одного часа и процесс повторяется снова на оставшихся четырех платах. По результатам измерений консистенции нанесенной пасты и четкости рисунка испытаний можно сразу исключить тестируемую пасту, что существенно сокращает объем испытаний.
В предложенной методике не рассматривается стойкость паяльной пасты к разжижению. Этот параметр важен при печати с высоким расходом пасты, когда паяльная паста наносится непрерывно или с малыми интервалами (т.е. без промежуточных операций). По своей природе паяльные пасты относятся к тиксотропным веществам, у которых вязкость падает при механическом воздействии и восстанавливается при его прекращении. При трафаретной печати ракель создает давление на пасту, что понижает её вязкость и способствует лучшему заполнению отверстия трафарета. После окончания механического воздействия паста восстанавливает свою первоначальную вязкость.
При непрерывной печати времени на восстановление вязкости может оказаться недостаточно. Тогда вязкость пасты будет постепенно снижаться, что влечет усадки и появление паразитных контактов на плате. Чтобы оценить вероятность этого явления, необходимо провести тестирование нескольких плат. Однако можно смоделировать это процесс на трафаретном принтере, включив 50–100 раз операцию перемешивания пасты. После этого можно визуально оценить форму оттиска и расход пасты при печати.
Проведен анализ поведения трех неочищенных паяльных паст в процессе оценки пасты с использованием 12 плат. Печать проводилась с трафаретом, имеющим апертуры размером в 6 мил (1 мил = 2,54 мкм), предназначенные для корпусов с четырехсторонним расположением выводов типа QFP-208 при размере корпуса 0,5 мм. Для измерения объема нанесенной пасты использовались 20 отверстий, средний объем каждого из них – 7,968 мил3. Полученные результаты оказались впечатляющими (рис.3). Каждая точка графика представляет усредненный объем расхода пасты для 20 отверстий на каждой плате при последовательной их печати.
Как видно из рис.3, консистенция пасты № 3 плохая, поскольку расход изменялся в пределах от 5400 до 9050 мил3. Эта паста продемонстрировала и недопустимую реакцию на одночасовую паузу – после каждой из двух таких пауз расход пасты существенно снижался. Среднее значение расхода пасты составило 8206 мил3, то есть средняя эффективность переноса (ЭП) равна 1,03 при среднеквадратичном отклонении 1047 мил3. Паста №1 показала наибольший расход, в среднем 8616 мил3 (средняя ЭП = 1,08) со среднеквадратичным отклонением 279 мил3. Паста № 2 оказалась на втором месте (средний расход 8745 мил3, средняя ЭП=1,10, среднеквадратичное отклонение 485 мил3).
Большинство программ статистического контроля технологического процесса (SPC) устанавливают предельные параметры на уровне ±3 среднеквадратичных отклонения. Исходя из этого критерия, лучшая из проверенных паст (№ 1) имеет допуск на дозировку 8616 ± 837 мил3 (или меньше чем 10 %). В большинстве случаев величина допуска колеблется в пределах ±20–30%. При таком допуске паста № 2 также может быть выбранной с допуском 16,6 %. По результатам проведенных испытаний отбраковывается только паста № 3.
В дополнение к оценке консистенции паяльной пасты как наиболее важного показателя, можно заметить, что этот параметр является и наиболее изменяющимся для различных паст. Поэтому, использование его в качестве главного критерия по выбору паст может экономить время при тестировании паст для трафаретной печати.
Пустоты и раковины: существенная трудность для бессвинцовой технологии?
Исследования пустот и раковин в бессвинцовых паяных соединениях показывают, что более высокое поверхностное натяжение расплава и более слабая смачиваемость бессвинцовых припоев провоцируют возникновение большого числа пустот по сравнению со свинцово-оловянными процессами [7]. Такое увеличение пустот в паяных соединениях ставит вопрос: будет ли это влиять на рабочие характеристики изделия и/или его надёжность? Совет по оценке качества паяльных материалов (SPVC) международного консорциума IPC заключил, что нет никакой прямой корреляции между количеством и размером пустот и надежностью изделий при термоциклических испытаниях [8].
Это означает, что простой рентгеновский анализ недостаточен для оценки надежности изделия. В частности, увеличение числа и размеров пустот может серьезно сказаться на изделиях, использующих монтаж СБИС в корпусах типа mBGA или CSP (chip-scale packages) посредством микропереходных отверстий. Если пустоты в микропереходных отверстиях под двумя соседними шариковыми выводами СБИС окажется достаточно большими, при оплавлении между этими выводами может образоваться перемычка, влекущая возможность возникновения короткого замыкания. Это повлечет переделки, причем на плате с дорогими компонентами. Поскольку уменьшить число и размера пустот может оптимизация профиля оплавления, этот параметр становится приоритетным при выборе идеальной паяльной пасты.
Заключение
Предложен метод оценки паяльной пасты с использованием 12 печатных плат. Хотя он включает в себя формирование оценок всех важных параметров, первой должна стоять оценка расхода паяльной пасты при печати. Исходя из того, что этот критерий является наиболее важным для высокого качества конечной продукции, первая часть анализа параметров на 12 платах может считаться отборочными испытаниями.
Автор выражает благодарность профессору Daryl Santos и Aniket Bhave за их вклад в написание этой статьи.
Тимоти Дженсен является специалистом по изделиям Indium Corporation of America.
Рональд К. Ласки – доктор философии, старший технолог Indium Corporation of America
Библиография
1. Jensen, Timothy, "Solder Paste Printing and Reflow" workshop, 2003.
2. Lasky, Ronald, "An Overview of the Electronics Industry," 2003.
3. Lasky, Ronald, "SPC Workshop," 2003.
4. Goudarzi, Vahid, "Lead-free Workshop," Plantation, FL, 2003; con tact rlasky@indium.com for a copy of the proceedings.
5. Lee, Ning-Cheng, "R&D Test Requirement for Solder Pastes," Indium Corporation, 2003.
6. Herber, Rob, et al., "The 27 Board Challenge," presented at SMT workshop, Toronto, Canada, 1998.
7. Jo, Hyoroon, et al., "Voiding of Lead-free Soldering at Microvia," SMTAI, 2003.
8. "The Effect of Voiding in Solder Interconnections Formed from Pb-free Solder Pastes with Sn/Ag/Cu." This paper is available for download at www.ipc.org.
Отзывы читателей
