eng
Выпуск #2/2013
М.Шейкин
Проектирование и монтаж печатных плат повышенной надежности. Некоторые "подводные камни"
Проектирование и монтаж печатных плат повышенной надежности. Некоторые "подводные камни"
Просмотры: 2227
Требования к печатным платам (ПП) для изделий специального назначения значительно выше, чем к массовой продукции. Для обеспечения необходимого уровня надежности разработчик должен ответственно подходить к выбору материалов и комплектующих, а также к соблюдению технологий производства ПП и монтажа компонентов. Даже несоблюдение условий хранения компонентов может привести к дефектам и снижению надежности готового изделия.
Теги: layered dielectric materials lead-free technology pcb planarization бессвинцовая технология планаризация пп слоистые диэлектрические материалы
Выбор материалов и конструкции ПП
Основные конструктивные элементы многослойной ПП – диэлектрик с фольгой на обеих сторонах (ламинат, иногда называемый "ядром" ПП), изолирующие слои из препрега (от англ. pre-impregnated (предварительно пропитанный), волокнистая основа, пропитанная частично полимеризованной смолой) и медной фольги.
Упрощенные структуры многослойных ПП, на которых основаны конструкции реальных плат, можно условно разделить на два типа (рис.1): "фольга снаружи" (а) и "ламинат снаружи" (б). ПП с фольгой снаружи состоит из листа ламината посередине и "бутерброда" из препрега и фольги. В структуре "ламинат снаружи" слои формируются чередованием ламината и препрега. При горячем прессовании платы препрег полимеризуется, скрепляя слои. Нужно отметить, что внутренняя симметрия ПП – не дань красоте; именно такая конфигурация слоев обеспечивает плоскостность ПП. Верхняя половина платы должна быть зеркальным отражением нижней, это относится и к распределению сигнальных слоев и слоев земли по толщине платы (баланс меди) [1]. У каждого варианта структуры ПП есть свои достоинства и недостатки. ПП с ламинатом снаружи более склонны к короблению, особенно сильно оно проявляется у плат с малым (четыре–шесть) количеством слоев. Это обусловлено тем, что в листах ламината всегда присутствуют внутренние напряжения, и, если в пакете из нескольких листов направления напряжений совпадут, возникает коробление.
Для производства плат структуры "фольга снаружи" необходимы чистые комнаты – мельчайшая пыль, попавшая под фольгу, приводит к дефектам при травлении платы. Несмотря на такие сложности при производстве, стойкость к короблению и некоторые другие преимущества сделали эту структуру наиболее распространенной и рекомендуемой к использованию.
Маркировка диэлектриков обозначает степень стойкости к воспламенению (FR, fire resistance). Самый популярный в производстве ПП материал диэлектрика – стеклотекстолит марки FR4 (табл.1). Он имеет хорошие механические характеристики, такие как гигроскопичность и термостойкость, и невысокую цену. Однако при выборе материала следует учитывать технологии монтажа платы и условия ее использования. Высокотемпературные стеклотекстолиты FR4 High Tg (высокая температура стеклования, т.е. разрушения структуры, табл.2) и FR5 предназначены для поверхностного монтажа. Следует иметь в виду, что в данном случае параметр высокой температуры стеклования подразумевает способность платы выдержать, не разрушаясь, лишь кратковременный перегрев при пайке оплавлением. Если проектируемый прибор должен постоянно работать при высоких температурах или резких перепадах температур, вместо стеклотекстолитов рекомендуется использовать полиимид (см. табл.2), обладающий лучшими свойствами и более пригодный для плат ответственного применения. СВЧ-материалы могут при необходимости применяться в отдельных слоях либо из них может быть изготовлена вся плата, но стоимость таких материалов значительно выше, чем низкочастотных диэлектриков. Самые известные поставщики специальных материалов – фирмы Rogers, Arlon, Taconic, Dupont.
При проектировании устройств, на платы которых приходятся повышенные локальные или распределенные тепловые нагрузки (например, светодиодные устройства, силовая, автомобильная электроника), есть смысл обратить внимание на ПП с металлическим основанием (ППМО или IMPCB – Insulated Metal Printed Circuit Board). Применение этих плат позволяет:
понизить рабочую температуру тепловыделяющих электронных компонентов;
уменьшить размеры печатной платы;
улучшить механические свойства изделия;
уменьшить размеры радиаторов или вообще их исключить;
не использовать при установке электронных компонентов теплопроводящую пасту или прокладку.
В качестве основы ППМО используется металлическая пластина (медь или, чаще всего, алюминий), на которую с помощью препрегов наклеиваются проводящие слои. ППМО может быть и одно-, и двухсторонней. При выборе толщины металлической пластины следует руководствоваться простым правилом: она должна составлять не менее 90% от общей толщины платы ППМО. Выполнение этого условия позволяет избежать коробления платы в процессе изготовления, которое может произойти из-за различия коэффициентов температурного расширения материалов основания и препрега. Однако увеличение толщины металлического основания может привести к проблемам при автоматизированном монтаже компонентов на плату [4].
Планаризация печатных плат
Понятно, что спроектировать сложную многослойную ПП без связей между слоями невозможно. Эти связи осуществляются с помощью отверстий (сквозных или глухих) с металлизацией внутри. Однако в случае, когда отверстия находятся вблизи компонентов с малым шагом выводов, существенно усложняется разводка проводников в этом районе, так как совмещать отверстие и контактную площадку нельзя. При пайке воздух, находящийся в отверстии, может попасть в паяное соединение, снизив его надежность до критического уровня (рис.2).
Решить эту проблему можно с помощью планаризации ПП, т.е. заделки переходных отверстий. Следует отметить разницу между планаризацией, при которой заделанное отверстие имеет металлизацию сверху, что позволяет использовать его как контактную площадку, и тентированием – "забивкой" отверстия сухой паяльной маской.
Выполнить планаризацию можно двумя способами:
гальваническое заполнение отверстий. Этот способ требует наличия специальных гальванических ванн и растворов. Его главный недостаток – заполнение только глухих отверстий и невозможность заполнять отверстия диаметром больше 0,2 мм. Это ограничение можно обойти, частично заполнив отверстие гальванически и заделав его окончательно припоем при лужении платы;
заполнение отверстий органическими составами (тентирование с металлизацией). Этот метод (с точностью до наоборот) не годится для заполнения отверстий глухих и небольшого диаметра. Отверстие заполняется полимерной смолой, после ее отверждения поверхность платы шлифуется, и бывшие отверстия металлизируются поверх полимеризованной смолы.
Совмещая обе эти технологии, можно полностью ликвидировать отверстия в ПП. Освоение технологий планаризации позволит упростить разработку ПП и повысить их надежность.
Бессвинцовые технологии и как с ними бороться
Директивы Европейского союза RoHS (Restriction of use of Hazardous Substances) и WEEE (Waste Electrical and Electronic Equipment) ограничивают применение определенных вредных веществ в электрическом и электронном оборудовании. В соответствии с этими директивами при производстве электроники запрещено применять свинецсодержащие припои и покрытия, заменив их бессвинцовыми (табл.3). Выполнение требований этой директивы сопряжено с известными трудностями. Бессвинцовые припои имеют худшие по сравнению с эвтектическими (т.е.имеющими одну точку плавления – ПОС-61, Sn 63 и Sn 62) припоями характеристики, а более высокая температура плавления приводит к возникновению опасности перегрева компонентов, поэтому использовать бессвинцовые технологии при производстве изделий ответственного применения не рекомендуется.
Директива RoHS не противоречит этому факту, так как она распространяется лишь на семь категорий электронного и электрического оборудования, функционирующего при напряжении не более 1000 В переменного тока и 1500 В постоянного:
крупные бытовые электроприборы;
мелкие бытовые электроприборы;
персональное информационно-технологическое и телекоммуникационное оборудование,
потребительское оборудование;
электрические и электронные инструменты,
игрушки, принадлежности для отдыха и спорта;
торговые автоматы;
От требований директивы освобождены следующие категории электронных и электрических изделий:
изделия военного и космического назначения;
отдельные виды медицинского оборудования;
оборудование мониторинга и контроля;
крупное стационарное промышленное, вычислительное и телекоммуникационное оборудование;
изделия в составе оборудования, на которое не распространяется директива RoHS (авиационное, железнодорожное, автомобильное и т. д.);
изделия fixed installations – т. е. комбинация нескольких видов оборудования, смонтированного для совместной работы и не поставляемого как отдельные изделия;
аккумуляторы и батареи;
запасные части для ремонта, обслуживания и усовершенствования оборудования, имевшегося на рынке до 1 июня 2006 года.
Таким образом, ничего не препятствует использованию надежных эвтектических припоев при производстве специального электронного оборудования. Тем не менее, в российских реалиях достаточно часто возникает проблема смешанной номенклатуры. Не секрет, что компоненты стандартов Military и Aerospace зарубежного производства часто бывают недоступны для российских производителей из-за ограничений на поставки и/или высокой стоимости. Кроме этого, случаются ситуации, когда поставщики или разработчики намеренно (по незнанию или небрежности) включают в спецификации изделий бессвинцовые компоненты, создавая тем самым смешанную номенклатуру.
При монтаже таких компонентов могут возникнуть несколько комбинаций материалов покрытия и припоев, которые приводятся в порядке снижения надежности паяных соединений [5]:
пайка свинцово-оловянным припоем по такому же или полностью обратно совместимому покрытию (е4, табл.4). Этот вариант можно считать идеальным по надежности;
пайка свинцово-оловянными припоями по бессвинцовым покрытиям (е1, е2, е3) – вариант, допустимый и наиболее предпочтительный в условиях смешанной комплектации в случае, если объем припоя значительно превышает объем вещества покрытия. Соединения в этом случае имеют немного больший по сравнению с эвтектикой состав олова, что не оказывает существенного влияния на надежность соединения;
пайка бессвинцовыми припоями по бессвинцовым покрытиям (е1, е2, е3). Этот вариант соответствует требованиям директивы RoHS, но не рекомендуется для применения в аппаратуре с повышенными требованиями к надежности;
пайка бессвинцовыми припоями по свинецсодержащим покрытиям – наименее надежный вариант, при котором происходит так называемое отравление свинцом бессвинцовых паяных соединений. Применять это сочетание не рекомендуется;
пайка компонентов BGA c бессвинцовыми шариковыми выводами эвтектическим припоем. Так как при этом объем бессвинцового припоя значительно больше объема свинецсодержащего, такое сочетание аналогично предыдущему и так же ненадежно (рис.3).
Таким образом, для обеспечения надежности соединений при смешанной номенклатуре (а избежать ее возникновения в современных реалиях практически невозможно) необходимо следовать нескольким правилам:
по возможности минимизировать количество бессвинцовых компонентов в номенклатуре;
выбирать компоненты с обратносовместимым покрытием – e4 для микросхем и иммерсионное золото для ПП;
использовать наиболее эффективные материалы (например, паяльные пасты с повышенной температурой активации флюса MP218 фирмы Multicore, которые позволяют паять покрытия е1, е2 и е3 при температуре 240–250°С;
заменять выводы BGA ("реболлинг") на свинцовосодержащие шарики. Этот пункт необходимо отметить особо, так как для бессвинцовых BGA альтернативных путей обеспечения надежности монтажа нет.
При работе со смешанной номенклатурой не лишним будет умение быстро определить состав покрытия выводов компонента. Косвенное указание на состав покрытия выводов компонента содержится в величине максимальной температуры на корпусе (Maximum body temperature), указываемой в спецификации компонента. Для бессвинцовых компонентов эта температура равна 260°С, а для обычных – 235°С.
Хранение компонентов
Одна из неявных причин появления дефектов при монтаже компонентов – в нарушении условий их хранения. Неочевидность ее усугубляется тем, что в некоторых случаях просто неизвестно, в каких условиях и как долго эти компоненты хранились. Часто случается так, что за некоторое время до передачи компонентов контрактному производителю заказчик, не зная (или игнорируя) тот факт, что пластиковые корпуса крупных компонентов (в особенности BGA) склонны к накоплению влаги из воздуха, вскрывает упаковку, оставляя компонент храниться при "комнатных" условиях. При пайке компоненты быстро нагреваются до температуры порядка 200°C; микровзрывы, возникающие при резком испарении накопленной влаги, могут повредить компоненты.
Стандарт IPC/JEDEC JSTD 020C регламентирует срок хранения компонента (floor life) от момента вскрытия защищающей от влаги упаковки Dry Pack до пайки в зависимости от класса влагостойкости MSL (Moisture Sensitivity Level) (см.табл.4). Наивысший уровень (MSL 1) означает, что компонент не требует специальной упаковки и обработки перед монтажом, а также имеет неограниченный срок годности.
Учет MSL при хранении и монтаже компонентов снижает количество дефектов пайки. Следует иметь в виду, что при повышенных температурах пайки (см.предыдущий раздел) MSL снижается на одну-две ступени относительно указанного.
В случаях, когда невозможно получить запечатанную упаковку компонентов (например, нужное количество компонентов значительно меньше их количества в упаковке), необходимо договариваться с поставщиком о специальной герметичной упаковке этих компонентов. Хранить чувствительные к влажности компоненты рекомендуется в специальных шкафах сухого хранения, в которых поддерживается уровень влажности от 5 до 1%; высушить "выдержанные" в условиях нормальной влажности компоненты можно в вакуумной камере.
* * *
Эта статья, конечно же, не охватывает всех проблем, с которыми сталкиваются разработчики устройств ответственного применения. Тем не менее, зная о "подводных камнях", которые могут встретиться в процессе разработки и производства электронных устройств, их легко избежать, повысив, тем самым, уровень надежности изделий и культуру производства.
Литература
Шихов С. Вопросы проектирования плат с повышенными требованиями к надежности. – Электроника: НТБ, 2013, №2, с.164–168.
Техника разводки печатных плат. – www.pcbtech.ru/pages/view_page/141
Материалы для печатных плат. – www.pcbtech.ru/pages/view_page/116
Лысов В., Кочергин В. Печатные платы с металлическим основанием. – Печатный монтаж, 2007, №3, с.22–24.
Michael D. Frederickson. The Worldwide Lead (Pb)-Free Electronics Mandate and Impending Reliability, Maintainability and Sustainability (RMS) Consequences. – www.theriac.org/DeskReference/viewDocument.php?id=15&Scope=reg
Лейтес И. Реболлинг и проблема обеспечения надежности паяных соединений. – Производство электроники: технологии, оборудование, материалы, 2008, №8, с.34–37.
Основные конструктивные элементы многослойной ПП – диэлектрик с фольгой на обеих сторонах (ламинат, иногда называемый "ядром" ПП), изолирующие слои из препрега (от англ. pre-impregnated (предварительно пропитанный), волокнистая основа, пропитанная частично полимеризованной смолой) и медной фольги.
Упрощенные структуры многослойных ПП, на которых основаны конструкции реальных плат, можно условно разделить на два типа (рис.1): "фольга снаружи" (а) и "ламинат снаружи" (б). ПП с фольгой снаружи состоит из листа ламината посередине и "бутерброда" из препрега и фольги. В структуре "ламинат снаружи" слои формируются чередованием ламината и препрега. При горячем прессовании платы препрег полимеризуется, скрепляя слои. Нужно отметить, что внутренняя симметрия ПП – не дань красоте; именно такая конфигурация слоев обеспечивает плоскостность ПП. Верхняя половина платы должна быть зеркальным отражением нижней, это относится и к распределению сигнальных слоев и слоев земли по толщине платы (баланс меди) [1]. У каждого варианта структуры ПП есть свои достоинства и недостатки. ПП с ламинатом снаружи более склонны к короблению, особенно сильно оно проявляется у плат с малым (четыре–шесть) количеством слоев. Это обусловлено тем, что в листах ламината всегда присутствуют внутренние напряжения, и, если в пакете из нескольких листов направления напряжений совпадут, возникает коробление.
Для производства плат структуры "фольга снаружи" необходимы чистые комнаты – мельчайшая пыль, попавшая под фольгу, приводит к дефектам при травлении платы. Несмотря на такие сложности при производстве, стойкость к короблению и некоторые другие преимущества сделали эту структуру наиболее распространенной и рекомендуемой к использованию.
Маркировка диэлектриков обозначает степень стойкости к воспламенению (FR, fire resistance). Самый популярный в производстве ПП материал диэлектрика – стеклотекстолит марки FR4 (табл.1). Он имеет хорошие механические характеристики, такие как гигроскопичность и термостойкость, и невысокую цену. Однако при выборе материала следует учитывать технологии монтажа платы и условия ее использования. Высокотемпературные стеклотекстолиты FR4 High Tg (высокая температура стеклования, т.е. разрушения структуры, табл.2) и FR5 предназначены для поверхностного монтажа. Следует иметь в виду, что в данном случае параметр высокой температуры стеклования подразумевает способность платы выдержать, не разрушаясь, лишь кратковременный перегрев при пайке оплавлением. Если проектируемый прибор должен постоянно работать при высоких температурах или резких перепадах температур, вместо стеклотекстолитов рекомендуется использовать полиимид (см. табл.2), обладающий лучшими свойствами и более пригодный для плат ответственного применения. СВЧ-материалы могут при необходимости применяться в отдельных слоях либо из них может быть изготовлена вся плата, но стоимость таких материалов значительно выше, чем низкочастотных диэлектриков. Самые известные поставщики специальных материалов – фирмы Rogers, Arlon, Taconic, Dupont.
При проектировании устройств, на платы которых приходятся повышенные локальные или распределенные тепловые нагрузки (например, светодиодные устройства, силовая, автомобильная электроника), есть смысл обратить внимание на ПП с металлическим основанием (ППМО или IMPCB – Insulated Metal Printed Circuit Board). Применение этих плат позволяет:
понизить рабочую температуру тепловыделяющих электронных компонентов;
уменьшить размеры печатной платы;
улучшить механические свойства изделия;
уменьшить размеры радиаторов или вообще их исключить;
не использовать при установке электронных компонентов теплопроводящую пасту или прокладку.
В качестве основы ППМО используется металлическая пластина (медь или, чаще всего, алюминий), на которую с помощью препрегов наклеиваются проводящие слои. ППМО может быть и одно-, и двухсторонней. При выборе толщины металлической пластины следует руководствоваться простым правилом: она должна составлять не менее 90% от общей толщины платы ППМО. Выполнение этого условия позволяет избежать коробления платы в процессе изготовления, которое может произойти из-за различия коэффициентов температурного расширения материалов основания и препрега. Однако увеличение толщины металлического основания может привести к проблемам при автоматизированном монтаже компонентов на плату [4].
Планаризация печатных плат
Понятно, что спроектировать сложную многослойную ПП без связей между слоями невозможно. Эти связи осуществляются с помощью отверстий (сквозных или глухих) с металлизацией внутри. Однако в случае, когда отверстия находятся вблизи компонентов с малым шагом выводов, существенно усложняется разводка проводников в этом районе, так как совмещать отверстие и контактную площадку нельзя. При пайке воздух, находящийся в отверстии, может попасть в паяное соединение, снизив его надежность до критического уровня (рис.2).
Решить эту проблему можно с помощью планаризации ПП, т.е. заделки переходных отверстий. Следует отметить разницу между планаризацией, при которой заделанное отверстие имеет металлизацию сверху, что позволяет использовать его как контактную площадку, и тентированием – "забивкой" отверстия сухой паяльной маской.
Выполнить планаризацию можно двумя способами:
гальваническое заполнение отверстий. Этот способ требует наличия специальных гальванических ванн и растворов. Его главный недостаток – заполнение только глухих отверстий и невозможность заполнять отверстия диаметром больше 0,2 мм. Это ограничение можно обойти, частично заполнив отверстие гальванически и заделав его окончательно припоем при лужении платы;
заполнение отверстий органическими составами (тентирование с металлизацией). Этот метод (с точностью до наоборот) не годится для заполнения отверстий глухих и небольшого диаметра. Отверстие заполняется полимерной смолой, после ее отверждения поверхность платы шлифуется, и бывшие отверстия металлизируются поверх полимеризованной смолы.
Совмещая обе эти технологии, можно полностью ликвидировать отверстия в ПП. Освоение технологий планаризации позволит упростить разработку ПП и повысить их надежность.
Бессвинцовые технологии и как с ними бороться
Директивы Европейского союза RoHS (Restriction of use of Hazardous Substances) и WEEE (Waste Electrical and Electronic Equipment) ограничивают применение определенных вредных веществ в электрическом и электронном оборудовании. В соответствии с этими директивами при производстве электроники запрещено применять свинецсодержащие припои и покрытия, заменив их бессвинцовыми (табл.3). Выполнение требований этой директивы сопряжено с известными трудностями. Бессвинцовые припои имеют худшие по сравнению с эвтектическими (т.е.имеющими одну точку плавления – ПОС-61, Sn 63 и Sn 62) припоями характеристики, а более высокая температура плавления приводит к возникновению опасности перегрева компонентов, поэтому использовать бессвинцовые технологии при производстве изделий ответственного применения не рекомендуется.
Директива RoHS не противоречит этому факту, так как она распространяется лишь на семь категорий электронного и электрического оборудования, функционирующего при напряжении не более 1000 В переменного тока и 1500 В постоянного:
крупные бытовые электроприборы;
мелкие бытовые электроприборы;
персональное информационно-технологическое и телекоммуникационное оборудование,
потребительское оборудование;
электрические и электронные инструменты,
игрушки, принадлежности для отдыха и спорта;
торговые автоматы;
От требований директивы освобождены следующие категории электронных и электрических изделий:
изделия военного и космического назначения;
отдельные виды медицинского оборудования;
оборудование мониторинга и контроля;
крупное стационарное промышленное, вычислительное и телекоммуникационное оборудование;
изделия в составе оборудования, на которое не распространяется директива RoHS (авиационное, железнодорожное, автомобильное и т. д.);
изделия fixed installations – т. е. комбинация нескольких видов оборудования, смонтированного для совместной работы и не поставляемого как отдельные изделия;
аккумуляторы и батареи;
запасные части для ремонта, обслуживания и усовершенствования оборудования, имевшегося на рынке до 1 июня 2006 года.
Таким образом, ничего не препятствует использованию надежных эвтектических припоев при производстве специального электронного оборудования. Тем не менее, в российских реалиях достаточно часто возникает проблема смешанной номенклатуры. Не секрет, что компоненты стандартов Military и Aerospace зарубежного производства часто бывают недоступны для российских производителей из-за ограничений на поставки и/или высокой стоимости. Кроме этого, случаются ситуации, когда поставщики или разработчики намеренно (по незнанию или небрежности) включают в спецификации изделий бессвинцовые компоненты, создавая тем самым смешанную номенклатуру.
При монтаже таких компонентов могут возникнуть несколько комбинаций материалов покрытия и припоев, которые приводятся в порядке снижения надежности паяных соединений [5]:
пайка свинцово-оловянным припоем по такому же или полностью обратно совместимому покрытию (е4, табл.4). Этот вариант можно считать идеальным по надежности;
пайка свинцово-оловянными припоями по бессвинцовым покрытиям (е1, е2, е3) – вариант, допустимый и наиболее предпочтительный в условиях смешанной комплектации в случае, если объем припоя значительно превышает объем вещества покрытия. Соединения в этом случае имеют немного больший по сравнению с эвтектикой состав олова, что не оказывает существенного влияния на надежность соединения;
пайка бессвинцовыми припоями по бессвинцовым покрытиям (е1, е2, е3). Этот вариант соответствует требованиям директивы RoHS, но не рекомендуется для применения в аппаратуре с повышенными требованиями к надежности;
пайка бессвинцовыми припоями по свинецсодержащим покрытиям – наименее надежный вариант, при котором происходит так называемое отравление свинцом бессвинцовых паяных соединений. Применять это сочетание не рекомендуется;
пайка компонентов BGA c бессвинцовыми шариковыми выводами эвтектическим припоем. Так как при этом объем бессвинцового припоя значительно больше объема свинецсодержащего, такое сочетание аналогично предыдущему и так же ненадежно (рис.3).
Таким образом, для обеспечения надежности соединений при смешанной номенклатуре (а избежать ее возникновения в современных реалиях практически невозможно) необходимо следовать нескольким правилам:
по возможности минимизировать количество бессвинцовых компонентов в номенклатуре;
выбирать компоненты с обратносовместимым покрытием – e4 для микросхем и иммерсионное золото для ПП;
использовать наиболее эффективные материалы (например, паяльные пасты с повышенной температурой активации флюса MP218 фирмы Multicore, которые позволяют паять покрытия е1, е2 и е3 при температуре 240–250°С;
заменять выводы BGA ("реболлинг") на свинцовосодержащие шарики. Этот пункт необходимо отметить особо, так как для бессвинцовых BGA альтернативных путей обеспечения надежности монтажа нет.
При работе со смешанной номенклатурой не лишним будет умение быстро определить состав покрытия выводов компонента. Косвенное указание на состав покрытия выводов компонента содержится в величине максимальной температуры на корпусе (Maximum body temperature), указываемой в спецификации компонента. Для бессвинцовых компонентов эта температура равна 260°С, а для обычных – 235°С.
Хранение компонентов
Одна из неявных причин появления дефектов при монтаже компонентов – в нарушении условий их хранения. Неочевидность ее усугубляется тем, что в некоторых случаях просто неизвестно, в каких условиях и как долго эти компоненты хранились. Часто случается так, что за некоторое время до передачи компонентов контрактному производителю заказчик, не зная (или игнорируя) тот факт, что пластиковые корпуса крупных компонентов (в особенности BGA) склонны к накоплению влаги из воздуха, вскрывает упаковку, оставляя компонент храниться при "комнатных" условиях. При пайке компоненты быстро нагреваются до температуры порядка 200°C; микровзрывы, возникающие при резком испарении накопленной влаги, могут повредить компоненты.
Стандарт IPC/JEDEC JSTD 020C регламентирует срок хранения компонента (floor life) от момента вскрытия защищающей от влаги упаковки Dry Pack до пайки в зависимости от класса влагостойкости MSL (Moisture Sensitivity Level) (см.табл.4). Наивысший уровень (MSL 1) означает, что компонент не требует специальной упаковки и обработки перед монтажом, а также имеет неограниченный срок годности.
Учет MSL при хранении и монтаже компонентов снижает количество дефектов пайки. Следует иметь в виду, что при повышенных температурах пайки (см.предыдущий раздел) MSL снижается на одну-две ступени относительно указанного.
В случаях, когда невозможно получить запечатанную упаковку компонентов (например, нужное количество компонентов значительно меньше их количества в упаковке), необходимо договариваться с поставщиком о специальной герметичной упаковке этих компонентов. Хранить чувствительные к влажности компоненты рекомендуется в специальных шкафах сухого хранения, в которых поддерживается уровень влажности от 5 до 1%; высушить "выдержанные" в условиях нормальной влажности компоненты можно в вакуумной камере.
* * *
Эта статья, конечно же, не охватывает всех проблем, с которыми сталкиваются разработчики устройств ответственного применения. Тем не менее, зная о "подводных камнях", которые могут встретиться в процессе разработки и производства электронных устройств, их легко избежать, повысив, тем самым, уровень надежности изделий и культуру производства.
Литература
Шихов С. Вопросы проектирования плат с повышенными требованиями к надежности. – Электроника: НТБ, 2013, №2, с.164–168.
Техника разводки печатных плат. – www.pcbtech.ru/pages/view_page/141
Материалы для печатных плат. – www.pcbtech.ru/pages/view_page/116
Лысов В., Кочергин В. Печатные платы с металлическим основанием. – Печатный монтаж, 2007, №3, с.22–24.
Michael D. Frederickson. The Worldwide Lead (Pb)-Free Electronics Mandate and Impending Reliability, Maintainability and Sustainability (RMS) Consequences. – www.theriac.org/DeskReference/viewDocument.php?id=15&Scope=reg
Лейтес И. Реболлинг и проблема обеспечения надежности паяных соединений. – Производство электроники: технологии, оборудование, материалы, 2008, №8, с.34–37.
Отзывы читателей
