В радиоэлектронной промышленности, в определенных кругах сформировалось мнение, что в аппаратуре специального назначения нельзя использовать компоненты, предназначенные для бессвинцовой пайки. Действительно, Директива RoHS не распространяется на аппаратуру военного, медицинского и аэрокосмического назначения. То есть в этой аппаратуре должны применяться традиционные оловянно-свинцовые припои (ПОС-61) и щадящие температуры пайки. Но значит ли это, что компоненты, предназначенные для бессвинцовой пайки (бессвинцовые компоненты), нельзя использовать в традиционной, давно устоявшейся технологии пайки, с подтвержденной годами гарантией надежности в экстремальных условиях эксплуатации?
В радиоэлектронной промышленности, в определенных кругах сформировалось мнение, что в аппаратуре специального назначения нельзя использовать компоненты, предназначенные для бессвинцовой пайки. Действительно, Директива RoHS не распространяется на аппаратуру военного, медицинского и аэрокосмического назначения. То есть в этой аппаратуре должны применяться традиционные оловянно-свинцовые припои (ПОС-61) и щадящие температуры пайки. Но значит ли это, что компоненты, предназначенные для бессвинцовой пайки (бессвинцовые компоненты), нельзя использовать в традиционной, давно устоявшейся технологии пайки, с подтвержденной годами гарантией надежности в экстремальных условиях эксплуатации?
Опыт последних лет показывает, что бессвинцовые компоненты не только можно использовать в ответственной аппаратуре, но они имеют и определенный запас прочности относительно традиционных компонентов. Все известные покрытия выводов для бессвинцовой пайки полностью совместимы с традиционной технологией пайки (кроме шариковых выводов BGA-корпусов, о чем будет сказано ниже). Покрытия, которые сегодня попали в перечень "бессвинцовых", давно используются в традиционных технологиях, отличия лишь в том, что перечень этих покрытий уменьшился. Корпуса бессвинцовых компонентов более устойчивы к высоким температурам пайки, чем традиционные. Если бы в бессвинцовых технологиях использовались прежние традиционные корпуса микросхем, они бы взрывались при высоких температурах пайки, как кукуруза при обжаривании (это распространенное явление поэтому и приобрело название "поп-корн"). Покрытия для пайки на печатных платах как были предназначены для любой технологии пайки, такими и остались. Прибавились лишь новые – иммерсионные покрытия золотом, оловом, серебром и т.д.
Но даже исходя из такого понимания проблемы, почти на всех этапах разработки, производства и испытаний изделий, где в силу известных причин вынуждены использовать импортные компоненты, предназначенные для бессвинцовой пайки, неизбежно возникают вопросы. В первую очередь, значок (рис.1), обозначающий принадлежность компонента к бессвинцовой технологии, не должен вызывать никаких сомнений при использовании в традиционных технологиях. Для понимания процесса обратимся непосредственно к паяному соединению и его составляющим. В паяное соединение входят: финишное покрытие контактных площадок печатной платы (далее – КП), финишное покрытие выводов компонента и третья составляющая – припой (рис.2). Первое и основное – применение элементов с бессвинцовым финишным покрытием не делает всю технологию пайки бессвинцовой. Технология становится бессвинцовой только тогда, когда применяется бессвинцовый припой и соответствующие ему температурные профили пайки. Если же в традиционном технологическом процессе, с применением оловянно-свинцовых припоев (ПОС-61 и ему подобных), паяются бессвинцовые компоненты, то такой процесс назвается смешанным. Правда, можно обойтись и без него, поскольку ничего в традиционной технологии пайки бессвинцовых компонентов не поменялось. Например, отечественная промышленность давно работает с микросхемами с золочеными выводами, это покрытие попало в перечень бессвинцовых, но из-за этого никто дополнительных изменений в традиционную технологию не вводил. Что касается наличия чистого олова на выводах бессвинцовых компонентов, то при пайке любое финишное покрытие гарантированно растворится в припое в процессе пайки (см. рис.2). Но проблемы все-таки есть. Наибольшие трудности возникают при работе с микросхемами в BGA-корпусах (корпуса с матричным расположением шариковых выводов). Есть два варианта приемов работы с микросхемами в таких корпусах. Первый вариант заключается в замене бессвинцовых шариков микросхемы на оловянно-свинцовые. Процесс замены, называемый реболлинг (rebulling), достаточно хорошо отработан и не представляет большой проблемы при соответствующей оснащенности процесса. Но он имеет одно ограничение. В соответствии с требованиями международных стандартов, микросхему в BGA-корпусе допускается нагревать (проводить пайку) не более трех раз. Распишем поэтапно процедуры, выполняемые с микросхемами в BGA-корпусах, при проведении реболлинга. Первый этап – установка бессвинцовых шариков на подложку BGA-компонента его производителем. Второй этап – демонтаж бессвинцовых шариков на производстве сборки с использованием режимов бессвинцовой технологии. Третий этап – установка новых оловянно-свинцовых шариков. Четвертый этап – монтаж на плату BGA-компонента с новыми шариками. Таким образом, после установки микросхемы в BGA-корпусе на конкретное изделие она становится абсолютно неремонтопригодной и при отказе какого-либо из шариков подлежит выпайке и отправке в брак. Некоторые могут возразить, что проводили эксперименты и паяли-выпаивали микросхемы порядка 10 раз и не наблюдали расслоения основания микросхемы (в случае, когда она выполнена на стеклотекстолитовом основании), не было и функциональных отказов. Да, подобные эксперименты проводились, и не на одном предприятии. Надо заметить, что рентгеновский контроль, проведенный после испытаний, не показывал расслоения основания в теле микросхемы, а также образования зазоров и трещин под кристаллом микросхемы или в клее. Повреждение, нанесенное микросхеме в этот момент не фиксировалось, но оно потом может сказаться на надежности ее функционирования. И зарубежные коллеги неоднократно демонстрировали снимки, сделанные на УЗ-микроскопе, отчетливо показывающие наличие расслоений в результате реболлинга (рис.3). Не требуется объяснять, что это скрытый дефект, который себя сразу не проявляет, а скорее всего проявится при климатических или термовакуумных испытаниях. Еще хуже, если он проявится позже, при эксплуатации. Таким образом, реболлинг проводить возможно, но требуется обеспечить перечень контрольных мер, гарантирующих работоспособность микросхемы с замененными шариковыми выводами. Но все же лучше его не делать! Другой вариант решения проблемы с бесвинцовыми выводами BGA-корпусов – коррекция традиционной технологии. Первое – неоднократно озвученное зарубежными [2, 3, 4] и подтвержденное отечественными специалистами [5, 6] мнение о том, что оловянно-свинцовыми припоями можно без опасений паять бессвинцовые компоненты. При этом температурный профиль пайки требуется заимствовать из бессвинцовой технологии с пиковой температурой 240°С (рис.4) [7]. Единственное, что требуется – это подтвердить стойкость материалов печатных плат к таким режимам нагрева. Второе – вся применяемая элементная база (и традиционные корпуса, и бессвинцовые компоненты) должна выдерживать нагрев до температур не менее 240–260°С. То есть требуется провести подробный анализ всех применяемых ЭРИ на предмет возможности пайки по бессвинцовому термопрофилю. Третье – проверить флюсы, используемые для пайки, на предмет их работоспособности при измененном термопрофиле. И последнее – необходимо использовать тестовую отработочную плату (а лучше несколько), на которой надо отработать термопрофиль и провести доступный контроль полученного паяного соединения. Сегодня проведение рентгеноскопического анализа паяных соединений является вполне доступным и адекватным методом анализа, который необходимо проводить при отработке изделия и запуске первых партий (или образцов) изделий. При более подробном рассмотрении станет ясно, что следует обратить внимание на ряд других особенностей технологического процесса бессвинцовых компонентов. К примеру, не следует забывать об обязательных подготовительных операциях обезжиривания ПП, сушке компонентов перед установкой в печи оплавления, подготовке паяльной пасты, отмывке, всех временных интервалах между операциями и т.д. Это краткий перечень необходимых изменений технологического процесса, которые требуется сделать для гарантирования высокого качества пайки бессвинцовых компонентов. Надо заметить, что кроме конвекционных печей сегодня на нашем рынке появились конденсационные (парафазные) печи. Технология конденсационной пайки отличается способом передачи тепла на паяемое изделие [8]. Конденсационная пайка обеспечивает равномерный прогрев компонентов, при этом температура нагрева никогда не превысит температуру конденсации пара технологической жидкости. Это дает технологии конденсационной пайки большие преимущества в пайке смешанных компонентов: традиционных и "бессвинцовых" компонентов. Но наряду с явными преимуществами равномерности прогрева изделия и высокой повторяемости процесса, минимизации эффекта "поп-корна" и меньшем энергопотреблении имеются и недостатки. К таким относятся высокий градиент нарастания температуры и высокий процент дефектов типа "надгробный камень". Еще один сложный вопрос, который обязательно следует рассматривать при конденсационной пайке, – затруднения с возможностью размещения ЭРИ на двух сторонах платы. Так, для конвекционных систем проблемы с двусторонним монтажом нет. Вы проводите монтаж первой стороны. После чего, установив элементы на вторую сторону, на нижней стороне (с уже припаянными ЭРИ) выставляете температуру ниже, чем на верхней, обеспечивая этим подогрев ПП снизу, не давая ЭРИ прогреться до состояния "отпайки". Таким образом, пропаиваются обе стороны. При пайке в конденсационной печи пайку второй стороны обеспечить проблематично, поскольку температура на всех поверхностях одинакова. Производители рекомендуют использовать дополнительное крепление – клей. Итак, рассмотрен примерный перечень мер, которые требуется провести при применении элементной базы с бессвинцовым финишным покрытием выводов, чтобы гарантировать технологическое обеспечение надежности межсоединений в аппаратуре специального назначения. Теперь рассмотрим организационно-технические вопросы использования смешанной элементной базы. Если у вас на руках нет данных о конкретных применениях смешанной базы по отработанным технологиям и результатов испытаний их состоятельности, то потребуется проведение ряда работ: выбор материала ПП, на которых будет осуществлен монтаж ЭРИ (материалы с высокой температурой стеклования), с определенным финишным покрытием контактных площадок (как правило, это иммерсионные покрытия золотом, оловом или серебром); составление перечня корпусов ЭРИ, предполагаемых к использованию в аппаратуре, с определенным финишным покрытием выводов применительно к бессвинцовой и традиционной технологии пайки; технологическая подготовка процесса монтажа данных плат с максимальным количеством исходных данных об используемых материалах и покрытиях; монтаж с сохранением температурных профилей и всех режимов нанесения припойной пасты, пайки, отмывки; подробный оптический контроль полученного печатного узла с фиксацией полученных результатов; рентгеноскопический анализ паяных соединений. Данный контроль следует проводить сразу после монтажа и после испытаний, чтобы контролировать наличие изменений в паяном соединении; электрическое тестирование печатного узла с целью зафиксировать работоспособное состояние ЭРИ до проведения испытаний; ускоренные испытания на старение. В отличие от обычных термоциклов или термопрогонов количество циклов в данном типе испытаний измеряется тысячами. Расчет количества таких циклов ведется исходя из заданных характеристик безотказной работы ваших изделий в соответствии с законом Аррениуса; рентгеноскопический анализ паяных соединений после проведенных испытаний; металлографический анализ паяных соединений (по возможности), прошедших испытания, и контрольной группы, не подвергавшейся испытаниям; возможны также дополнительные механические испытания на сдвиг и на отрыв ЭРИ. Это оптимальный перечень работ, которые необходимо выполнить при внедрении смешанной техногии. Он может быть как увеличен, так и уменьшен, исходя из возможностей предприятия. Разумеется, данная работа, методики и результаты испытаний должны быть согласованы и утверждены в установленном порядке. Часто необходима установка определения паяемости выводов компонентов – менискограф. С его помощью можно не только определять пригодность компонентов к пайке, но и подбирать оптимальные режимы пайки так, чтобы они были пригодны для всех компонентов, размещаемых на плате [9]. При использовании смешанной технологии не нужно бояться возможности образования дефекта в виде оловянной чумы – она возникает только в чистом олове (здесь его нет). Дефекты олова в виде вискеров возможны, но на оловянно-свинцовых поверхностях их длина не превышает 25 мкм, и это не критично. При использовании чисто бессвинцовой технологии длина этих вискеров–кристаллов может превышать 200 мкм. Это уже соизмеримо с зазорами между проводниками. Но образование таких "длинных" кристаллов возможно только при использовании чисто бессвинцовой технологии пайки и монтажа, а не для бессвинцовых компонентов с покрытием выводов, предназначенным для бессвинцовой пайки. Таким образом, сомнения по поводу использования бессвинцовых компонентов в аппаратуре специального назначения не оправданы какими-либо опасениями, связанными с возможной потерей надежности. Тщательный выбор материалов печатных плат и технологических материалов для процессов пайки, профессиональная технологическая подготовка производства плюс высокотехнологичные способы инспекции печатных узлов со смешанной элементной базой, включающей бессвинцовые компоненты, позволяют гарантировать изготовление специальной электронной техники с требуемым уровнем устойчивости к внешним воздействиям. Литература Lars-Ollaf Wallin. Доклад на международном симпозиуме "АССОЛД". – М.: 2008. Lars-Gunnar Klang. Доклад на международном симпозиуме "АССОЛД". – М.: 2008. Werner Engelmaier. Доклад на международном симпозиуме "АССОЛД". – М.: 2008 Новотник М., Новиков А. Доклад на международном семинаре "Проблемы бессвинцовых технологий производства электроники". – М.: 2007. Лейтес И.Л. Доклад на международном семинаре "Проблемы бессвинцовых технологий производства электроники". – М.: 2007. Парфенов А.Н. Доклад на международном семинаре "Проблемы бессвинцовых технологий производства электроники". – М.: 2007. Гафт С.К. Доклад на международном семинаре "Проблемы бессвинцовых технологий производства электроники". – М.: 2007. http://www.elinform.ru/articles_20.htm Медведев А., Шкундина С. Иммерсионные покрытия под пайку. – Производство электроники, 2010, №3.