Влияние химического состава паяльной пасты на возникновение эффекта «надгробный камень»

Причины и способы устранения

Дефекты, проявляющиеся при выполнении паяльных работ, вызывают критические нарушения на производстве. Они снижают его эффективность, увеличивают трудовые и временные затраты, а также уменьшают общую надёжность конечного продукта.

На этапе пайки может возникнуть множество дефектов:

• образование перемычек
• непропай
• затекание припоя
• отслоение контактных площадок
• разрушение самих элементов

Для их устранения технологи применяют множество технологических решений от корректировки термопрофиля до совершенствования состава паяльной пасты.

Основы качественной пайки

Большое разнообразие паяльных паст позволяет выбрать именно тот состав, который больше всего подходит для решения тех или иных задач. Специалистами разработаны паяльные пасты для использования различных технологических приемов:

• трафаретная печать
• ручное
• автоматическое машинное нанесения

Также на выбор влияет используемый термопрофиль, а также тип применяемого для оплавления оборудования.

Правильный выбор, а также учет всех технологических особенностей позволит избежать не только проявления эффекта надгробного камня, но также и многих других дефектов пайки SMD компонентов. Это обеспечит высокое качество производства, надежность и конкурентоспособность выпускаемого продукта.

Технология применяющая поверхностный монтаж электронных компонентов родилась еще в 60-х годах прошлого века. Благодаря ее внедрению, компании IBM удалось существенно уменьшить размеры производимых устройств. Это способствовало ее стремительному развитию, а также повсеместному распространению.

Однако миниатюризация компонентов не только уменьшила габариты электронных устройств, но и отразилась на общем качестве производства. Снижение веса элементов, уменьшение толщины платы, а также размещенных на ней дорожек привело к росту образующихся дефектов. Для его устранения потребовались не только новое высокоточное оборудование, но также и разработка новых материалов. В том числе и паяльных составов.

Технический консультант, специалист по электромонтажным, ремонтным и наладочным работам, кандидат наук

Влияние компонентов и платы

В качестве основной причины можно выделить плохую паяемость контактов. Неэффективная смачиваемость поверхностей ухудшает прилипание на одной из площадок, что ведет к разрыву соединения.

Другая причина – неверный подбор элементов по размеру. При несоответствии линейных размеров элементов расстоянию между контактными площадками или их размером возникают чрезмерные усилия со стороны припоя. Они могут иметь как продольное, так и скручивающее направление.

Третий фактор – распределение тепловой энергии

Неравномерное распределение тепловой энергии по поверхности печатной платы (PCB, от англ. printed circuit board) может привести к неправильному оплавлению припоя. Это происходит из-за загораживания нагреваемых контактных площадок другими элементами, что делает температуру неоднородной. В результате более горячий контакт может притянуть электронный компонент.

Технологическое влияние

• Ошибки при нанесении пасты для трафаретной печати
• Размещение компонентов со смещением из-за отсутствия калибровки SMD установщика
• Неверно выбранный режим нагрева

Влияние припоя

Качество пасты и её физико-химические свойства имеют значительное влияние на качество пайки СМД компонентов. Паста должна обладать определенной липкостью, скоростью оплавления и смачиваемостью, а все эти параметры определяются её консистенцией.

Надгробный камень

Образование надгробного камня — интересный дефект, при котором элемент поднимается на ребро, напоминая надгробную стелу. Этот дефект может привести к серьезным проблемам с печатной платой.

Паяльные пасты

Для SMT-технологии требуется пластичный низкотемпературный припой. Новые технологии позволяют ускорить процессы и уменьшить минимальный шаг выводов компонентов.

Состав паяльных паст

Пасты для пайки состоят из частиц припоя и флюса. Флюс обеспечивает текучесть, удаление окислов и препятствует образованию новых. Безгалогенные флюсы являются более инертными и практически полностью расходуются в процессе пайки, они называются безотмывочными пастами.

Создание конечного соединения

Конечное соединение создается расплавляемыми частицами порошка припоя. При этом важны не только финальная прочность и пластичность соединения, но и его поведение в процессе нагрева, а также такие характеристики, как температуры солидуса и ликвидуса.

Влияние концентрации на свойства

На температуру плавления паяльной пасты, а также кристаллизацию влияет концентрация входящих в нее элементов. Эти смеси включают несколько металлов, все они имеют различные точки плавления и кристаллизации. В процессе нагрева происходит поочередное плавление металлов, от менее тугоплавкого к более тугоплавкому.

Температурные границы

За температуру ликвидуса (лат. Liquidus – жидкость) принята граница, при которой все металлы входящие в припой переходят в жидкое состояние. В противовес этому показателю – граница полной кристаллизации расплава. Её называют температурой солидуса (лат. Solidus – твердый).

Проблема малого веса

Переход на миниатюрные компоненты 0402, а также 0201 привел к резкому росту образования надгробных камней. Корректировка термопрофиля не принесла существенных улучшений.

Проанализировав поведение элементов, выяснилось, что причина этому – узкий температурный диапазон между ликвидусом и солидусом. Из-за быстрой смены агрегатного состояния не получалось добиться относительно одинакового изменения поверхностного натяжения на всех участках пайки. Как следствие, это приводило к неравномерному распределению механических усилий, создаваемых на концах элемента.

Соотношение размеров

Соотношение размеров грифеля автоматического карандаша с компонентами 0402 и 0603

Совершенствование состава

Для расширения температурного окна потребовалась разработка совершенно новой паяльной пасты. Помимо, классически включенных свинца и олова, необходима была добавка, расширяющая границы между полным плавлением и кристаллизацией. Этим исследованием занялись специалисты компании Indium Corp.

В итоге специалистами удалось расширить разницу температур почти до 7 градусов, что уменьшило частоту подъема элементов до 0,3%.

Преимущества модернизированного состава

Помимо, расширения температурного окна ликвидус-солидус паста получила некоторые дополнительные преимущества:

• Усовершенствованная производительность
• Увеличение долговечности
• Снижение частоты подъема элементов

Паяльные смеси в различных упаковках

Итог: модернизированный состав паяльной пасты показал хорошие результаты в улучшении процесса пайки и обеспечении стабильности соединений на миниатюрных компонентах.