Выпуск #5/2013
А.Ефремов
От анализа к контролю. Стратегия качества сборки печатных узлов
От анализа к контролю. Стратегия качества сборки печатных узлов
Просмотры: 3460
При производстве современных электронных узлов крайне важной задачей становится контроль и устранение дефектов автоматического монтажа. Выбор надежного поставщика компонентов, определение оптимального для конкретного производства уровня входного контроля компонентов и контроля дефектов в процессе производства – слагаемые стратегии обеспечения качества сборки современных электронных изделий.
Теги: electronics production quality assurance solder defects дефекты пайки контроль качества производство электроники
По определению, качество продукции – это оценка потребителем степени соответствия ее свойств индивидуальным и общественным ожиданиям и обязательным нормам, соответствующие ее назначению. Под качеством же электронной продукции чаще всего имеют в виду ее работоспособность, соответствие требованиям ТЗ и отсутствие дефектов сборки. Выполнение первых двух пунктов лежит в основном на разработчиках изделия, но качество его сборки зависит от многих факторов, как человеческих, так и относящихся к технологиям и особенностям оборудования. Описание всех этих факторов может занять не одну сотню журнальных страниц, в этой же статье мы ограничимся описанием стратегии обеспечения качества сборки и некоторыми практическими примерами.
Тенденции развития производства печатных узлов
Развитие электронной промышленности в России можно условно разделить на три этапа. В 1990-х – 1998-х г. плотность монтажа была низкой, компоненты применялись в основном дискретные, а требования к точности монтажа были невысокими. 1998 год многим запомнился из-за жестокого экономического кризиса, однако именно этот год оказался "переломной точкой" и по другой причине – конец 90-х был также отмечен кризисом производства и перепроизводства электроники. В течение последующих лет до 2005 года плотность монтажа компонентов увеличивалась, а их шаг, соответственно, уменьшался (появились компоненты с шагом 0,5 и даже 0,4 мм), и, как следствие, повысились требования к точности позиционирования компонентов и контролю качества паяных соединений. В это время начинается применение систем рентгеновского контроля качества паяных соединений. Современный же период, с 2005 года до наших дней, можно охарактеризовать высокой плотностью монтажа, массовым применением компонентов с шариковыми выводами (BGA и др.) и жесткими требованиями к качеству сборки, а следовательно, и к контролю дефектов.
Дефекты на современном производстве
Откуда же берутся дефекты производства? Для того, чтобы у читателя было представление о том, как рассчитывается уровень дефектности на современном производстве, приведем простой пример. Возьмем условную печатную плату современного уровня со 100 компонентами – микросхемами типа BGA и им подобными. Среднее количество выводов у каждого компонента – 80, следовательно, всего на плате будет 8000 паяных соединений. Предположим, что производство у нас мелкосерийное, и партия будет всего 10 изделий. Любая единица производственного оборудования имеет свою собственную погрешность работы и допустимый уровень дефектов, эти параметры, как правило, указываются в технической документации на это оборудование. Например, автомат для нанесения паяльной пасты имеет уровень дефектности порядка 35 ppm (один ppm означает один дефект на миллион), автомат-установщик – порядка 55 ppm, печь оплавления – 40 ppm. Суммарный уровень дефектности нашего производства, таким образом, составляет всего 120 дефектов на миллион паяных соединений. Эта цифра кажется весьма малой, но что же она значит в реальности? На наших 10 модулях будет всего 80000 точек пайки, и на них придется 9,6 дефекта, иными словами – на 10 модулей – 10 дефектов! Эти дефекты могут распределяться по всем изделиям, а могут быть сосредоточены в одном, но фактически в каждом печатном модуле с высокой вероятности будет дефект. При этом мы сильно упростили наши расчеты, взяв лишь три вида оборудования (на реальном производстве выполняется больше операций), не учитывали человеческий фактор, некачественные компоненты и т.д.
Предупреждение и контроль дефектов
Чем раньше дефекты обнаружены, тем ниже стоимость их устранения. Например, если дефект нанесения паяльной пасты обнаруживается во время или сразу после этой операции, то устранить его, или даже снять плату с конвейера, будет гораздо проще и дешевле, чем ремонтировать уже собранное изделие. Дело в том, что для ремонта современного изделия, в котором обнаружился брак пайки BGA (а именно к этому приводят дефекты нанесения паяльной пасты) необходимо выполнить несколько сложных и дорогих операций:
удаление влагозащитного покрытия;
демонтаж компонента;
восстановление шариковых выводов;
монтаж компонента;
восстановление покрытия.
Таким образом, для предприятия жизненно важно обеспечить контроль возникновения дефектов в процессе производства. Анализируя методы контроля качества изделий, можно выделить три основных подхода:
основные действия, которые выполняются для локализации дефектов: их выявление, классификация, определение наиболее весомых, анализ причин возникновения и их устранение. Это самый простой, можно даже сказать – поверхностный подход;
определение влияния дефектов на качество и себестоимость выпускаемой продукции. Здесь мы оцениваем стоимость устранения и предупреждения дефектов. В отличие от первого пункта, где применялись корректирующие меры, предупреждение дефектов исключает их появление в принципе. Для этого нужно анализировать выявленные дефекты и определять причины их возникновения;
разработка стратегии контроля дефектов, то есть определение допустимого уровня дефектов и разработка комплекса мер для обеспечения этого уровня.
Выбор той или иной стратегии зависит от конкретного производства и специфики производимых изделий. К примеру, на мелкосерийном производстве введение сложных операций контроля иной раз невозможно из-за их сравнительной дороговизны – дорогая аппаратура не окупит себя. Если на предприятии собирается, например, простая бытовая техника, то в случае ее поломки дешевле будет заменить сломанный экземпляр, вместо того, чтобы его ремонтировать. Но сложные изделия ответственного назначения (это может быть и промышленная электроника, и космическая техника, и аппаратура жизнеобеспечения) требуют совершенно иного подхода к контролю качества – уровень дефектности производства здесь должен быть сведен практически к нулю (в реальных условиях – 99,9% годных и выше). В этом случае при организации производства следует предусмотреть максимальный контроль дефектов, и, самое главное, разработать комплекс действий по их предупреждению. Обеспечение столь высокого уровня качества требует вложений в диагностическое и тестовое оборудование, а также квалифицированных специалистов. Именно поэтому стоимость изделий ответственного назначения столь высока.
Стандартных же решений при выборе стратегии контроля качества не существует – нет такой модели, которая по умолчанию подходила бы к конкретному производству. Индивидуальные решения для конкретного предприятия должны учитывать, кроме сложности выпускаемых изделий, и требуемый уровень автоматизации, и требования к надежности изделий. Немаловажен и вопрос стоимости качества – с ростом объема производства и сложности изделий растут и затраты на контроль, но при переходе к крупным сериям стоимость контроля качества резко уменьшается, так как технологические процессы уже отлажены, контроль всех изделий ведется только по некоторым параметрам, например, автоматическая оптическая инспекция качества монтажа, а полностью проверяются лишь отдельные изделия.
Виды контроля качества
При производстве электронной аппаратуры применяются несколько видов контроля качества. Мы рассмотрим их по порядку проведения в производственном процессе.
Входной контроль печатных плат, компонентов и технологических материалов. Перед началом производства крайне важно убедиться в качестве применяемых компонентов и материалов. Глубина входного контроля зависит, прежде всего, от степени доверия поставщику компонентов. Если его репутация высока и подтверждена опытом работы, то входной контроль компонентов и плат может быть сведен к минимуму – например, проверке упаковки компонентов, сроков их хранения и соответствия номиналов. При производстве же ответственной продукции имеет смысл проводить более глубокий входной контроль.
Важно также понимать, что пути поставки компонентов в Россию могут быть довольно сложными и порой не совсем легальными. Поэтому доверия заслуживают лишь те поставщики, которые готовы по первому требованию предъявить информацию о путях поставки компонентов. Российские реалии таковы, что поставщик не несет ответственности за поставку некачественных компонентов – в отличие от зарубежной практики, когда в случае невыполнения требований к качеству и срокам выполнения заказов к поставщикам компонентов применяются весьма жесткие меры. Таким образом, в нашей стане контроль качества компонентов, равно как и их подлинности, ложится на плечи производителя.
Контроль технологических процессов проводится после этапов сборки изделия. Этот вид контроля позволяет оперативно обнаружить дефекты конкретной стадии производства, например, некачественное нанесение паяльной пасты или дефекты пайки оплавлением. Современные системы автоматического контроля позволяют выявлять и отбраковывать дефектные платы "на лету", не останавливая линию.
Диагностический контроль проводится после сборки печатных узлов с целью обнаружение неисправностей и дефектов, которые возникли на этапах сборки. В отличи от функционального контроля, на этом этапе не проверяется работоспособность изделия, а выполняется лишь поиск и локализация дефектов монтажа. Для этого применяются установки рентгеновского контроля, различные методы электрического тестирования, например, периферийное сканирование, и т.д. Сложно найти предприятие, где бы не проводился функциональный контроль готовых изделий, однако лишь немногие уделяют должное влияние контролю диагностическому. Зачастую именно дефекты, возникшие в процессе сборки, становятся тем "слабым местом", из-за которого падает общее качество изделий.
Что можно обнаружить при оптическом и рентгеновском контроле
Оптические методы контроля позволяют находить повреждения компонентов, которые могут быть вызваны либо неаккуратным обращением с компонентами (рис.1а), либо заводским браком. Некоторые дефекты печатных плат, такие, как разрывы и повреждения металлизации стенок переходных отверстий (рис.1б), также могут быть выявлены и оптическими методами, но под достаточно большим (30–45°) углом обзора. В общем же, для инспекции печатных плат (и при входном, и при диагностическом контроле) наиболее эффективным будет рентгеновский контроль. Он позволяет выявить дефекты плат, незаметные внешне. Смещения контактных площадок во внутренних слоях относительно металлизированных отверстий более всего опасны, если возник разрыв в металлизации между отверстием и площадкой (рис.2). Разрыв печатного проводника на внутреннем слое (рис.3) означает, что собранное изделие заведомо будет бракованным и, более того, неремонтопригодным.
При рентгеновской инспекции электронных компонентов также можно обнаружить дефекты, не имеющие внешних проявлений (рис.4). Возможны также и чисто производственные дефекты, которые нередки в контрафактных компонентах, например, неправильная или некачественная разварка кристалла в корпусе (рис.5).
Дефект, показанный на рис.6, может быть критическим, если клей выполняет функции теплоотвода. Пустоты в его толще могут привести к перегреву кристалла и даже к его отделению от подложки.
Также дефекты могут возникать и после испытаний компонентов или готовых изделий Например, термоциклирование может привести к повреждению соединений кристалла с корпусом (рис.7).
Дефекты, связанные с нарушением целостности цепей изделия, легко обнаруживаются и во время функционального контроля. Рентгеновский контроль – процесс достаточно дорогой и требующий высокой квалификации сотрудников, поэтому при сборке простых и недорогих изделий от него можно отказаться.
Входной контроль технологических материалов
Важный, но неочевидный фактор качества изделий – контроль технологических материалов. Порядок применения материалов на производстве зависит от сроков их годности, по простому правилу "первый прибыл – первый выбыл". Иными словами, на производство отправляются те материалы, которые раньше всего поступили на склад. Это позволяет избежать "залеживания" материалов на складе вплоть до истечения их сроков годности. Однако при сборке ответственных изделий, а также если срок годности материалов подходит к концу, имеет смысл проверять качество этих материалов. Существуют различные методы проверки материалов. Некоторые из них, например, описанные в американском стандарте IPC-TM-650. Согласно этому стандарту, качество паяльной пасты проверяется тестами на растекание. Паста наносится на медную поверхность через специальный трафарет, в котором расстояние между соседними окнами (апертурами) постепенно уменьшается. Сразу после нанесения пасты и через несколько часов после этого проверяется степень растекания пасты, нет ли перемычек между соседними отпечатками (рис.8) Этот тест позволяет определить, подходит ли именно эта паста для монтажа конкретного изделия – по степени растекания пасты определяется минимальный шаг компонентов, которые можно паять с применением этой пасты.
Другой метод, описанный в IPC-TM-650 – это тест на шарики припоя. На несмачиваемую припоем подложку, например, из оксида алюминия, наносится определенное количество пасты. В самом простом случае в качестве трафарета можно применить плотный лист бумаги толщиной 150-200 мкм с проделанным дыроколом отверстием. После этого пластину загружают в печь, где она проходит стандартный цикл оплавления. По тому, как паста оплавилась в печи и как прореагировал флюс, можно судить о качестве этой пасты. На рис.9 результат в левом верхнем углу можно считать идеальным, а в правом нижнем заметны неоплавившиеся шарики припоя и сильное растекание флюса.
Если печатные платы и/или компоненты хранились на складе более года, при их монтаже есть вероятность появления дефектов, связанных с неудовлетворительной паяемостью (от плохого контакта до полного разрушения соединения). Внешне дефекты паяемости проявляются как неудовлетворительное смачивание припоем поверхности: вместо того, чтобы растекаться по ней, припой собирается в шарики. К дефектам могут приводить длительный срок хранения или нарушение условий их содержания на складе. Методы предотвращения этих дефектов очевидны – в первую очередь, это обеспечение правильных условий хранения плат и компонентов в соответствии со стандартом IPC J-STD-033C “Обращение, упаковка, транспортировка и использование компонентов для поверхностного монтажа, чувствительных к влаге при пайке методом оплавления”. Вскрытая заводская упаковка и неконтролируемая влажность в помещении склада могут стать причинами нарушения финишного покрытия плат и компонентов и привести к снижению паяемости. "Залежавшиеся" на складе компоненты и платы могут иметь окисленные выводы и контактные площадки, что также отрицательно сказывается на паяемости.
Однако причиной неудовлетворительной паяемости могут стать и нарушения технологических процессов изготовления печатных плат. В современной электронике весьма часто применяются печатные платы с покрытием иммерсионным золотом (ENIG). Это покрытие представляет собой тончайшую (доли микрона) золотую пленку, нанесенную поверх относительно толстого слоя никеля. Золото защищает никель от внешних воздействий, а при пайке растворяется в припое. Незащищенный от воздействия воздуха никель окисляется в течение нескольких часов, поэтому при повреждении или отсутствии защитного покрытия паяное соединение будет ненадежным (рис.10). По сути, неудовлетворительное смачивание припоем приводит к тому, что припаянный вывод компонента имеет крайне слабое соединение с контактной площадкой платы и при минимальном механическом воздействии это соединение разрушается (рис.11). Для оценки паяемости компонентов могут использоваться методы контроля, изложенные в стандарте IPC J-STD-002D, печатных плат – в стандарте IPC J-STD-003B.
* * *
В рамках одной статьи невозможно дать исчерпывающие рекомендации по выбору и реализации стратегии обеспечения качества выпускаемой продукции. Упомянутые выше стандарты, а также пособия по визуальному и рентгеновскому контролю, подготовленные Группой компаний Остек, будут полезны как для обучения специалистов, так и для практического применения в условиях реального производства. ●
Тенденции развития производства печатных узлов
Развитие электронной промышленности в России можно условно разделить на три этапа. В 1990-х – 1998-х г. плотность монтажа была низкой, компоненты применялись в основном дискретные, а требования к точности монтажа были невысокими. 1998 год многим запомнился из-за жестокого экономического кризиса, однако именно этот год оказался "переломной точкой" и по другой причине – конец 90-х был также отмечен кризисом производства и перепроизводства электроники. В течение последующих лет до 2005 года плотность монтажа компонентов увеличивалась, а их шаг, соответственно, уменьшался (появились компоненты с шагом 0,5 и даже 0,4 мм), и, как следствие, повысились требования к точности позиционирования компонентов и контролю качества паяных соединений. В это время начинается применение систем рентгеновского контроля качества паяных соединений. Современный же период, с 2005 года до наших дней, можно охарактеризовать высокой плотностью монтажа, массовым применением компонентов с шариковыми выводами (BGA и др.) и жесткими требованиями к качеству сборки, а следовательно, и к контролю дефектов.
Дефекты на современном производстве
Откуда же берутся дефекты производства? Для того, чтобы у читателя было представление о том, как рассчитывается уровень дефектности на современном производстве, приведем простой пример. Возьмем условную печатную плату современного уровня со 100 компонентами – микросхемами типа BGA и им подобными. Среднее количество выводов у каждого компонента – 80, следовательно, всего на плате будет 8000 паяных соединений. Предположим, что производство у нас мелкосерийное, и партия будет всего 10 изделий. Любая единица производственного оборудования имеет свою собственную погрешность работы и допустимый уровень дефектов, эти параметры, как правило, указываются в технической документации на это оборудование. Например, автомат для нанесения паяльной пасты имеет уровень дефектности порядка 35 ppm (один ppm означает один дефект на миллион), автомат-установщик – порядка 55 ppm, печь оплавления – 40 ppm. Суммарный уровень дефектности нашего производства, таким образом, составляет всего 120 дефектов на миллион паяных соединений. Эта цифра кажется весьма малой, но что же она значит в реальности? На наших 10 модулях будет всего 80000 точек пайки, и на них придется 9,6 дефекта, иными словами – на 10 модулей – 10 дефектов! Эти дефекты могут распределяться по всем изделиям, а могут быть сосредоточены в одном, но фактически в каждом печатном модуле с высокой вероятности будет дефект. При этом мы сильно упростили наши расчеты, взяв лишь три вида оборудования (на реальном производстве выполняется больше операций), не учитывали человеческий фактор, некачественные компоненты и т.д.
Предупреждение и контроль дефектов
Чем раньше дефекты обнаружены, тем ниже стоимость их устранения. Например, если дефект нанесения паяльной пасты обнаруживается во время или сразу после этой операции, то устранить его, или даже снять плату с конвейера, будет гораздо проще и дешевле, чем ремонтировать уже собранное изделие. Дело в том, что для ремонта современного изделия, в котором обнаружился брак пайки BGA (а именно к этому приводят дефекты нанесения паяльной пасты) необходимо выполнить несколько сложных и дорогих операций:
удаление влагозащитного покрытия;
демонтаж компонента;
восстановление шариковых выводов;
монтаж компонента;
восстановление покрытия.
Таким образом, для предприятия жизненно важно обеспечить контроль возникновения дефектов в процессе производства. Анализируя методы контроля качества изделий, можно выделить три основных подхода:
основные действия, которые выполняются для локализации дефектов: их выявление, классификация, определение наиболее весомых, анализ причин возникновения и их устранение. Это самый простой, можно даже сказать – поверхностный подход;
определение влияния дефектов на качество и себестоимость выпускаемой продукции. Здесь мы оцениваем стоимость устранения и предупреждения дефектов. В отличие от первого пункта, где применялись корректирующие меры, предупреждение дефектов исключает их появление в принципе. Для этого нужно анализировать выявленные дефекты и определять причины их возникновения;
разработка стратегии контроля дефектов, то есть определение допустимого уровня дефектов и разработка комплекса мер для обеспечения этого уровня.
Выбор той или иной стратегии зависит от конкретного производства и специфики производимых изделий. К примеру, на мелкосерийном производстве введение сложных операций контроля иной раз невозможно из-за их сравнительной дороговизны – дорогая аппаратура не окупит себя. Если на предприятии собирается, например, простая бытовая техника, то в случае ее поломки дешевле будет заменить сломанный экземпляр, вместо того, чтобы его ремонтировать. Но сложные изделия ответственного назначения (это может быть и промышленная электроника, и космическая техника, и аппаратура жизнеобеспечения) требуют совершенно иного подхода к контролю качества – уровень дефектности производства здесь должен быть сведен практически к нулю (в реальных условиях – 99,9% годных и выше). В этом случае при организации производства следует предусмотреть максимальный контроль дефектов, и, самое главное, разработать комплекс действий по их предупреждению. Обеспечение столь высокого уровня качества требует вложений в диагностическое и тестовое оборудование, а также квалифицированных специалистов. Именно поэтому стоимость изделий ответственного назначения столь высока.
Стандартных же решений при выборе стратегии контроля качества не существует – нет такой модели, которая по умолчанию подходила бы к конкретному производству. Индивидуальные решения для конкретного предприятия должны учитывать, кроме сложности выпускаемых изделий, и требуемый уровень автоматизации, и требования к надежности изделий. Немаловажен и вопрос стоимости качества – с ростом объема производства и сложности изделий растут и затраты на контроль, но при переходе к крупным сериям стоимость контроля качества резко уменьшается, так как технологические процессы уже отлажены, контроль всех изделий ведется только по некоторым параметрам, например, автоматическая оптическая инспекция качества монтажа, а полностью проверяются лишь отдельные изделия.
Виды контроля качества
При производстве электронной аппаратуры применяются несколько видов контроля качества. Мы рассмотрим их по порядку проведения в производственном процессе.
Входной контроль печатных плат, компонентов и технологических материалов. Перед началом производства крайне важно убедиться в качестве применяемых компонентов и материалов. Глубина входного контроля зависит, прежде всего, от степени доверия поставщику компонентов. Если его репутация высока и подтверждена опытом работы, то входной контроль компонентов и плат может быть сведен к минимуму – например, проверке упаковки компонентов, сроков их хранения и соответствия номиналов. При производстве же ответственной продукции имеет смысл проводить более глубокий входной контроль.
Важно также понимать, что пути поставки компонентов в Россию могут быть довольно сложными и порой не совсем легальными. Поэтому доверия заслуживают лишь те поставщики, которые готовы по первому требованию предъявить информацию о путях поставки компонентов. Российские реалии таковы, что поставщик не несет ответственности за поставку некачественных компонентов – в отличие от зарубежной практики, когда в случае невыполнения требований к качеству и срокам выполнения заказов к поставщикам компонентов применяются весьма жесткие меры. Таким образом, в нашей стане контроль качества компонентов, равно как и их подлинности, ложится на плечи производителя.
Контроль технологических процессов проводится после этапов сборки изделия. Этот вид контроля позволяет оперативно обнаружить дефекты конкретной стадии производства, например, некачественное нанесение паяльной пасты или дефекты пайки оплавлением. Современные системы автоматического контроля позволяют выявлять и отбраковывать дефектные платы "на лету", не останавливая линию.
Диагностический контроль проводится после сборки печатных узлов с целью обнаружение неисправностей и дефектов, которые возникли на этапах сборки. В отличи от функционального контроля, на этом этапе не проверяется работоспособность изделия, а выполняется лишь поиск и локализация дефектов монтажа. Для этого применяются установки рентгеновского контроля, различные методы электрического тестирования, например, периферийное сканирование, и т.д. Сложно найти предприятие, где бы не проводился функциональный контроль готовых изделий, однако лишь немногие уделяют должное влияние контролю диагностическому. Зачастую именно дефекты, возникшие в процессе сборки, становятся тем "слабым местом", из-за которого падает общее качество изделий.
Что можно обнаружить при оптическом и рентгеновском контроле
Оптические методы контроля позволяют находить повреждения компонентов, которые могут быть вызваны либо неаккуратным обращением с компонентами (рис.1а), либо заводским браком. Некоторые дефекты печатных плат, такие, как разрывы и повреждения металлизации стенок переходных отверстий (рис.1б), также могут быть выявлены и оптическими методами, но под достаточно большим (30–45°) углом обзора. В общем же, для инспекции печатных плат (и при входном, и при диагностическом контроле) наиболее эффективным будет рентгеновский контроль. Он позволяет выявить дефекты плат, незаметные внешне. Смещения контактных площадок во внутренних слоях относительно металлизированных отверстий более всего опасны, если возник разрыв в металлизации между отверстием и площадкой (рис.2). Разрыв печатного проводника на внутреннем слое (рис.3) означает, что собранное изделие заведомо будет бракованным и, более того, неремонтопригодным.
При рентгеновской инспекции электронных компонентов также можно обнаружить дефекты, не имеющие внешних проявлений (рис.4). Возможны также и чисто производственные дефекты, которые нередки в контрафактных компонентах, например, неправильная или некачественная разварка кристалла в корпусе (рис.5).
Дефект, показанный на рис.6, может быть критическим, если клей выполняет функции теплоотвода. Пустоты в его толще могут привести к перегреву кристалла и даже к его отделению от подложки.
Также дефекты могут возникать и после испытаний компонентов или готовых изделий Например, термоциклирование может привести к повреждению соединений кристалла с корпусом (рис.7).
Дефекты, связанные с нарушением целостности цепей изделия, легко обнаруживаются и во время функционального контроля. Рентгеновский контроль – процесс достаточно дорогой и требующий высокой квалификации сотрудников, поэтому при сборке простых и недорогих изделий от него можно отказаться.
Входной контроль технологических материалов
Важный, но неочевидный фактор качества изделий – контроль технологических материалов. Порядок применения материалов на производстве зависит от сроков их годности, по простому правилу "первый прибыл – первый выбыл". Иными словами, на производство отправляются те материалы, которые раньше всего поступили на склад. Это позволяет избежать "залеживания" материалов на складе вплоть до истечения их сроков годности. Однако при сборке ответственных изделий, а также если срок годности материалов подходит к концу, имеет смысл проверять качество этих материалов. Существуют различные методы проверки материалов. Некоторые из них, например, описанные в американском стандарте IPC-TM-650. Согласно этому стандарту, качество паяльной пасты проверяется тестами на растекание. Паста наносится на медную поверхность через специальный трафарет, в котором расстояние между соседними окнами (апертурами) постепенно уменьшается. Сразу после нанесения пасты и через несколько часов после этого проверяется степень растекания пасты, нет ли перемычек между соседними отпечатками (рис.8) Этот тест позволяет определить, подходит ли именно эта паста для монтажа конкретного изделия – по степени растекания пасты определяется минимальный шаг компонентов, которые можно паять с применением этой пасты.
Другой метод, описанный в IPC-TM-650 – это тест на шарики припоя. На несмачиваемую припоем подложку, например, из оксида алюминия, наносится определенное количество пасты. В самом простом случае в качестве трафарета можно применить плотный лист бумаги толщиной 150-200 мкм с проделанным дыроколом отверстием. После этого пластину загружают в печь, где она проходит стандартный цикл оплавления. По тому, как паста оплавилась в печи и как прореагировал флюс, можно судить о качестве этой пасты. На рис.9 результат в левом верхнем углу можно считать идеальным, а в правом нижнем заметны неоплавившиеся шарики припоя и сильное растекание флюса.
Если печатные платы и/или компоненты хранились на складе более года, при их монтаже есть вероятность появления дефектов, связанных с неудовлетворительной паяемостью (от плохого контакта до полного разрушения соединения). Внешне дефекты паяемости проявляются как неудовлетворительное смачивание припоем поверхности: вместо того, чтобы растекаться по ней, припой собирается в шарики. К дефектам могут приводить длительный срок хранения или нарушение условий их содержания на складе. Методы предотвращения этих дефектов очевидны – в первую очередь, это обеспечение правильных условий хранения плат и компонентов в соответствии со стандартом IPC J-STD-033C “Обращение, упаковка, транспортировка и использование компонентов для поверхностного монтажа, чувствительных к влаге при пайке методом оплавления”. Вскрытая заводская упаковка и неконтролируемая влажность в помещении склада могут стать причинами нарушения финишного покрытия плат и компонентов и привести к снижению паяемости. "Залежавшиеся" на складе компоненты и платы могут иметь окисленные выводы и контактные площадки, что также отрицательно сказывается на паяемости.
Однако причиной неудовлетворительной паяемости могут стать и нарушения технологических процессов изготовления печатных плат. В современной электронике весьма часто применяются печатные платы с покрытием иммерсионным золотом (ENIG). Это покрытие представляет собой тончайшую (доли микрона) золотую пленку, нанесенную поверх относительно толстого слоя никеля. Золото защищает никель от внешних воздействий, а при пайке растворяется в припое. Незащищенный от воздействия воздуха никель окисляется в течение нескольких часов, поэтому при повреждении или отсутствии защитного покрытия паяное соединение будет ненадежным (рис.10). По сути, неудовлетворительное смачивание припоем приводит к тому, что припаянный вывод компонента имеет крайне слабое соединение с контактной площадкой платы и при минимальном механическом воздействии это соединение разрушается (рис.11). Для оценки паяемости компонентов могут использоваться методы контроля, изложенные в стандарте IPC J-STD-002D, печатных плат – в стандарте IPC J-STD-003B.
* * *
В рамках одной статьи невозможно дать исчерпывающие рекомендации по выбору и реализации стратегии обеспечения качества выпускаемой продукции. Упомянутые выше стандарты, а также пособия по визуальному и рентгеновскому контролю, подготовленные Группой компаний Остек, будут полезны как для обучения специалистов, так и для практического применения в условиях реального производства. ●
Отзывы читателей
