Паяльная паста для поверхностного монтажа плат, ее нанесение с помощью трафарета и дозатора без паяльника

Виды паяльных паст

Пасты классифицируются по типу флюсов (см. рис. 1).

«Водорастворимую» паяльную пасту (остатки флюса после пайки растворяются водой), требующую обязательной отмывки из-за содержания активного флюса (см. таблицу 1), отмывают последовательно обычной, дистиллированной и деионизированной водой, причем на каждом этапе применяют струйную отмывку или ультразвук. Для «водорастворимых» паст, не требующих обязательной отмывки, процесс ограничивается дистиллированной водой.

Рис. 1. Классификация паяльных паст

Таблица 1. Классификация флюсов

Активность флюса (% содержание галогенов)	Канифольные Rosin (RO)	Синтетические Resin (RE)	Органические Organic (OR)	Необходимость отмывки
Низкая (0%)	ROL0	REL0	ORL0	Нет
Низкая ( 2,0%)	Обязательно

С пастами, требующими отмывки специальными жидкостями, ситуация иная. Вне зависимости от наличия в составе галогенов, такие пасты основаны на канифольных флюсах, поэтому для их отмывки после пайки рекомендуется применять растворитель типа HCFC и омыляющий реагент. Потом отмывочные жидкости, в свою очередь, отмываются дистиллированной, а затем деионизированной водой.

Вместе с тем, многие паяльные пасты, не содержащие галогенов, отмываются трудно и оставляют на поверхности плат белесый остаток флюса. При этом стойкость к осадке считается важнее отмываемости.

Большинство паяльных паст, не требующих отмывки, освобождают производство от этого технологического процесса. Флюсы таких паст защищают паяное соединение от коррозии подобно лаку. Сосредоточимся на пастах, не требующих отмывки: они наиболее технологичны.

Рис. 2. Состав паяльных паст

Часто говорят: безотмывочные пасты не должны содержать галогенов. Надо четко уяснить, что если в документации на пасту указано «Требует отмывки», то мыть надо обязательно, а если такой маркировки нет, то вопрос решается исходя из дополнительных требований к изделию: внешний вид, нанесение лака.

В Японии, например, галогенсодержащие пасты (0,2%) в процессах без отмывки после пайки гораздо популярнее безгалогенных. Галогенсодержащие паяльные пасты сравнительно более технологичны, например, по паяемости, но часто уступают безгалогенным пастам по надежности, что проявляется в снижении сопротивления изоляции готового монтажа.

Рис. 3. Основные характеристики, учитываемые при разработке или выборе паяльных паст

В идеале, для пайки без отмывки нужна паста без галогенов, но с паяемостью, как у галогенсодержащей пасты.

Трудность заключается в повышении химической активности безгалогенных безотмывочных паст. В большинстве таких паст в качестве активатора вместо галогенсодержащих соединений используются органические кислоты, причем чем меньше молекулярный вес кислоты, тем больше способность активации.

Вместе с тем такие высокоактивные органические кислоты поглощают влагу. Это чревато: оставшаяся в остатках флюса на поверхности подложки кислота при взаимодействии с водой ионизируется, что уменьшает поверхностное сопротивление изоляции и ведет к электромиграции.

В системах активации в паяльных пастах (здесь автор опирается на технические данные по пастам фирмы «KOKI») используются менее гигроскопичные органические кислоты и специально разработанный безионный активатор. Эта специальная система не диссоциирует на ионы, ее электрические свойства стабильны, а активирующая способность не уступает галогенам.

Вот примеры популярных типов паст:

• паяльная паста для высокоскоростной печати;
• паяльная паста с высокой смачивающей способностью;
• паяльная паста для автоматического внутрисхемного тестирования;
• универсальная паста с чрезвычайно длительным временем жизни на трафарете.

Таблица 2. Жизненный цикл паяльной пасты на производстве

Стадии жизненного цикла пасты	Контролируемые характеристики
Хранение	Неизменность вязкости и паяемости
Нанесение пасты	Тонкая печать с шагом 0,5 мм и сверхтонкая — с шагом 0,4 мм. Время жизни после нанесения. Растекаемость пасты. Отделяемость от стенок апертур трафарета. Скорость печати (нормальная — до 100 мм/с, скоростная — 200 мм/с и более). Тиксотропный индекс (изменение вязкости в процессе оплавления). Полнота заполнения апертур. Размазываемость пасты по трафарету (паста должна образовывать плотный валик перед ракелем).
Монтаж компонентов	Клейкость. Стойкость пасты к осадке (растеканию).
Оплавление	Образование перемычек (короткие замыкания). Наличие частиц припоя в остатках флюса. Выворачивание и отрыв компонентов (tombstoning). Смачиваемость (образование галтели припоя).
Контроль качества	Остатки флюса должны обеспечивать бесперебойную работу АОИ — автоматической оптической инспекции. Для паяльных паст, предназначенных для последующего ICT-контроля, остатки флюса должны быть пластичными и оставаться на зондах.
Качество отмывки	При необходимости отмывки от остатков флюса она должна быть полной, без белого налета.

Паяльная паста: как пользоваться

Правила эксплуатации условно можно разделить на три блока:

1. Общие условия использования:

• помещение, где производятся паяльные работы, должно быть чистым, не являться источником или местом сосредоточения пыли или каких-либо иных загрязнений;
• в целях индивидуальной защиты использовать защитные очки для глаз и перчатки для рук;
• для отмывки уже нанесенной пасты с поверхности платы применять изопропиловый спирт или другие вещества-растворители.

2. До вскрытия упаковочной тары:

• поместить пасту в помещение, в котором температурный режим находится в пределах 22-28 градусов, а влажность – 30-60%;
• перед тем как открыть упаковку, выдержать пасту при комнатной температуре как минимум пару часов, при этом прибегать к применению искусственных способов разогрева вещества категорически запрещено;
• в процессе работы паяльное вещество следует регулярно перемешивать.

3. После вскрытия упаковочной тары:

• нанести на трафаретное полотно приблизительно 2/3 от всего количества паяльного вещества;

  

• учитывая скорость производственного процесса, по мере использования нанесенной пасты необходимо добавлять небольшими порциями оставшееся паяльное вещество;
• если печатные работы завершены, а паяльная паста для поверхностного монтажа осталась, ни в коем случае нельзя смешивать ее с новой, а хранить следует в отдельной емкости в холодильном оборудовании;
• если паяльные работы не окончены, для их продолжения можно использовать как начатую паяльную пасту, так и новую, главное условие здесь – смешать ранее вскрытую пасту в соотношении 1:2 с новой и тщательно перемешать для получения однородной массы;
• монтаж компонентов на печатную плату следует произвести как можно быстрее, собственно говоря, такими же ускоренными темпами ее нужно потом и пропаять;
• в случае возникновения вынужденной паузы в работе, которая превысит 60 минут, остатки паяльной пасты (то есть той пасты, которая была нанесена на трафарет, но использована не до конца) убрать в специальную емкость и плотно ее закрыть;
• в целях получения высококачественной трафаретной печати рекомендуется производить очистку трафаретного полотна каждые 40-45 минут.

Преимущества 3d-измерения в системах контроля нанесения

Является ли выборочный контроль нанесения паяльной пасты достаточным

На сегодня существуют производственные линии, включающие в себя принтер с встроенной 2D-инспекцией паяльной пасты и автономный SPI. Однако для сохранения скорости работы принтера встроенная система инспекции проверяет только несколько участков с нанесением паяльной пасты; автономный участок контроля осуществляет лишь выборочную проверку, что не может гарантировать отсутствие дефекта на каждой плате.

Только проверка всей поверхности платы позволит обнаружить случайно возникающие дефекты, и только инспекция всей серии (каждой платы) позволит выявить отклонения в работе принтера. Например, тенденция к уменьшению количества нанесенной паяльной пасты у всей серии свидетельствует о загрязнении апертур.

Влияние размера апертур на эффективность отпечатка

С уменьшением размеров электронных сборок и уплотнением монтажа размер апертур трафаретов уменьшается, а их количество неуклонно возрастает. Различные размеры апертур трафарета влияют на так называемый коэффициент передачи. Чем меньше размер отверстия, тем меньшее количество паяльной пасты передается от апертур трафарета на печатную плату.

Сравним два круглых отверстия одного трафарета диаметром 700 и 270 мкм при одинаковой толщине трафарета 100 мкм и оценим эффективность отпечатка.

Рис. 2а. Область печати: для апертуры Ø700 мкм




Рис. 2а. Область печати: для апертуры Ø700 мкм




Рис. 2б. Область печати для апертуры Ø270 мкм

На рис. 2а показана область печати для апертуры диаметром 700 мкм. Нетрудно заметить, что площадь нанесения изменяется от 75 до 100%, а объем во всех случаях больше 90%, что является вполне удовлетворительным результатом. Для апертуры диаметром 270 мкм картина несколько иная (рис. 2б). Площадь нанесения колеблется от 60 до 120%, а объем — от 50 до 100%. Следствием этих измерений априорно является то, что на мелких апертурах контроль качества нанесения пасты становится ключевым фактором для обеспечения качества паяного соединения.

2D- или 3D-инспекция?

Поставщики SPI предлагают 2D- и 3D-системы контроля нанесения паяльной пасты. Работа 2D-инспекций основана на сравнении различных оттенков серого цвета. Это требует продолжительной настройки, в зависимости от цвета печатных плат, и не несет точной информации об объеме.

3D-системы основаны на функции измерения высоты печатной платы и паяльной пасты. В системах 3D-инспекции сегодня применяются две технологии — это метод лазерного измерения и метод многочастотного муара. Лазерное измерение выявляет многие дефекты, которые могут быть пропущены в ходе обычной двумерной инспекции. Но эта методика имеет ряд ограничений, например, отсутствие возможности измерить объем указанной области, погрешность измерений из-за большой толщины лазерного пучка (рис. 3), а также чувствительность лазера к цвету печатных плат (рис. 4). (При создании рабочей программы требуется дополнительная настройка в зависимости от цвета текстолита.)

Рис. 3. Лазерное измерение


Рис. 3. Лазерное измерение


Рис. 4. Изменение интенсивности лазера в зависимости от цвета

Суть метода многочастотного муара заключается в измерениях высоты каждого пикселя инспектируемого объекта на поверхности платы. Принцип измерений заключается в следующем: свет под углом направляется на объект с нескольких проекций (4,8 — в зависимости от системы), которые напоминают собой дифракционную решетку.

Благодаря смещению каждой решетки мы получаем линии, проецируемые на нашем изделии. Если поверхность имеет какую-либо неровность или рельеф, то произойдет смещение линий проецируемой решетки (т.е. отражение полос от объекта дает контур объекта по сравнению с ровной поверхностью).

Технология многочастотного муара позволяет по смещению полос измерить высоту объекта в каждой точке (или в каждом пикселе) с точностью до 1 мкм. Зная высоту в каждой точке области инспекции, мы можем определить площадь объекта, а зная высоту и площадь мы можем получить объем инспектируемого объекта.

Из всего этого следует, что в отличие от классических систем, 3D измерение с помощью метода многочастотного муара позволяет не просто различать объем (определять наличие или отсутствие объекта), а получать математически-точные измеренные данные по объему в цифрах.(рис.)

рис.

Система обладает функцией обратной связи с трафаретным принтером, являясь управляющим звеном в связке Принтер- SPI. Это опция позволяет анализировать тенденцию отклонения измеренных значений по
различным параметрам (объем, смещение, компланарность и тд.) и отправляет сигнал на принтер о необходимости прочистки, корректировки положения или перезагрузки трафарета.

Еще одной отличительной особенностью системы является функция BBT (Bare Board Teaching — обучение пустой плате). Функция BBT измеряет поверхности пустой платы и контактных площадок, что позволяет получать точное значение объема нанесенной пасты с учетом компенсированного объема стравленной маски.

Абсолютно все измеренные данные попадают на общий сервер под руководство инструмента статистического анализа SPC . Данный программный продукт позволяет проводить анализ произведенных изделий, готовить отчеты, смотреть статистику по любым интересующим дефектам за любой период производства.(рис)

рис

Главные преимущества муарового метода — это высокая разрешающая способность, математически точное измерение объема, нечувствительность к цвету текстолита.

Таким образом, 3D-измерение методом многочастотного муара позволяет не просто различать объем каждого участка нанесенной паяльной пасты, а получать данные по объему в цифрах.

Рис. 5. Метод многочастотного муара

Рис. 6. Цифровая камера делает несколько снимков с каждой проекции

Чтобы иметь возможность контролировать процесс нанесения паяльной пасты в реальном времени и оперативно реагировать на отклонения в процессе, необходимо осуществлять непрерывное измерение объема пасты на всех участках. Выбирая систему контроля, следует учитывать ключевые факторы с точки зрения эффективности проведения измерений: это точность, скорость и повторяемость результатов. Только система контроля, основанная на функции измерения, способна представить отчет, который можно использовать для управления технологическим процессом.

Система контроля качества нанесения паяльной пасты 3D SPI KY-8030-3 компании Koh Young Technology (Корея)

Новое поколение систем контроля качества нанесения паяльной пасты серии KY-8030 представлено высокоточными и производительными SPI.Новая модель KY-8030-3 (рис. 7) обеспечивает в три раза более высокую скорость инспекции без ущерба для производительности и точности.

Используя запатентованную двойную проекцию света, система устраняет проблему «теневого эффекта», которой подвержено большинство систем 3D SPI. Кроме того, KY-8030-3 позволяет решить проблему деформации печатной платы, которая серьезно влияет на точность проверки и достоверность результатов.

Новый, простой в использовании графический интерфейс с сенсорным экраном максимизирует удобства оператора. Оптимизированное меню и революционно новый интерфейс делают работу легче и проще. 3D-обзор позволяет оператору мгновенно оценить результаты испытаний. Модель KY-8030-3 не требует длительного программирования и отладки.

Рис. 7. Система контроля качества нанесения паяльной пасты 3D SPI KY-8030-3

Таблица. Технические характеристики 3D SPI KY-8030-3

Режим осцилляции

Тест на восстановление свойств в режиме осцилляции дает информацию об изменениях значений G’, G” и опционально значения tg δ и комплексной вязкости (рис. 12).

Рис. 12. Тест на восстановление свойств пасты (компания Balver Zinn/Cobar) в режиме осцилляции (имитация нанесения паяльной пасты трафаретным принтером с высокой скоростью)

В первой фазе на паяльную пасту действует сила самой высокой частоты и амплитуды колебаний, а также суперпозиция температур, что приводит к полному разрушению суперструктуры, подобно тому, как разрушается суперструктура паяльной пасты при заполнении апертуры трафарета в направлении, обратном движению ракелей.

В ходе опыта используются высокая частота (>500 Гц) и суперпозиция температур. Длительность этой фазы — 3 с. С помощью мощного устройства, работающего на электротермическом эффекте Пельтье, температура восстанавливается до отметки 25 °C в течение считанных секунд.

Во второй фазе у пасты есть возможность восстановить свои свойства, пока температура в течение нескольких секунд возвращается к отметке 25 °C, а указанные выше значения фиксируются в то время, пока на пасту действуют самые низкие из возможных амплитуда и частота колебаний.

В фазе восстановления (2,5 мин) отслеживаются свойства эластичности и вязкости (G”). Этот график четко показывает, что паяльная паста 325-XM2 (фиолетовая кривая для G’ и голубая кривая для G” на рис. 12) во время нанесения перекатывается лучше. Значения обоих параметров G’ и G” ниже, как и в случае с пастой 325-RXM (зеленая кривая для G’ и красная кривая для G” на рис. 12).

Кроме того, четко видно, что параметр G” (вязкость) доминирует. У паяльной пасты 325-RXM оба параметра — G’ и G” — выше при воздействии ракелей, движущихся с высокой скоростью, в первой фазе, поэтому сопротивляемость к перемещению значительно выше. В фазе восстановления, чтобы параметр G’ стал больше параметра G”, нужно очень много времени.

У той паяльной пасты, которая демонстрирует быстрое восстановление свойств во второй фазе, самая низкая тенденция к расползанию и подтеканию. С другой стороны, у паяльной пасты с относительно высоким значением G’ в первой фазе могут быть следующие дефекты:

неоднородность нанесения, покатость нанесенного слоя и «собачьи уши». В ходе проведения работ в наших лабораториях стало очевидным то, что самое важное значение имеет баланс свойств вязкости и эластичности.

Реология паяльной пасты

Реология — это наука, которая занимается изучением характеристик текучести и деформации вещества. Касательно паяльных паст важно изучение этих качеств при воздействии атмосферного давления, вибрации ремней конвейерной системы (расползание) и сил, связанных с процессом нанесения паяльной пасты (перекатывание валика пасты).

Таким образом, вопрос изучения поведения паяльной пасты обычно упрощался, и во внимание принимались такие характеристики, как вязкость в одной точке или кривая вязкости. Вязкость — это сопротивление ньютоновскому течению. В зависимости от уровня сложности, оборудование, используемое для определения реологических характеристик, может определить вязкость паяльной пасты за счет высчитывания вязкости в одной точке и предела текучести и построения кривой вязкости.

В ротационном вискозиметре Бруквилда очень маленькая площадь поверхности. Это одна из причин, по которым повторяемость результатов измерений существенно ограничена. Спиральный вискозиметр Малкома отличается умеренной повторяемостью получаемых измерений.

Рис. 4. Типы вискозиметров

Сейчас особенно популярны спиральные вискозиметры. Они завоевали репутацию оборудования, позволяющего получить более точные показания. Все типы прошли сертификацию на получение большинства международных стандартов. Более сложное оборудование типа пластина-пластина должно использоваться гораздо более квалифицированным персоналом в лабораторных условиях.

Это оборудование позволяет точно определить характеристики вязкости паяльной пасты. Его модульный дизайн обычно позволяет наращивать возможности отслеживания различных реологических параметров, некоторые из которых относятся сугубо к действию осцилляции.

Сравним данные вязкости в одной точке. Таблица показывает, что данные, полученные с помощью разного оборудования, практически несравнимы.

Таблица. Вязкость паяльной пасты в Па*с

Система	Вискозиметр Малкома, контролируемая скорость сдвига при 6 с-1	Вискозиметр Паар-Физика UDS-200, контролируемое касательное напряжение сдвига, данные получены при 6 с–‘
325-RXM	177	188
325-RX	225	177
325-XM2	231	254

Интересен параметр, относящийся к появившейся не так давно области реологии, — определение коэффициента вязкости и эластичности вещества. Его мы обсудим в соответствующем разделе «Характеристики вязкости и эластичности».

Сегодня вязкость измеряется при произвольно выбираемых низких показателях скорости сдвига. Даже в большинстве международных стандартов, относящихся к паяльным пастам, термин «вязкость» используется только для характеристики процесса нанесения. Но чтобы воспроизвести параметры текучести паяльной пасты во время хранения и нанесения, нужен более основательный подход.

Профиль вязкости строится по двум параметрам: кривая вязкости относительно кривой скорости сдвига. Уравнение для так называемого индекса тиксотропности (TI) выглядит следующим образом:

где η — вязкость (Па-с); D — скорость сдвига (с-1).

График индекса тиксотропности (TI) паяльной пасты, построенный на основании показаний, полученных с помощью вискозиметра типа пластина-пластина, приведен на рис. 5. Хотя этот тест и дает больше результатов, чем при использовании спирального вискозиметра, тем не менее, данные все равно весьма ограничены.

Рис. 5. График индекса тиксотропности (TI)