Рекомендации по пайке электронных компонентов типа BGA

№ 4’2009
PDF версия
Страхи по поводу бессвинцовых технологий понемногу уходят в прошлое. Этому способствовало широкое обсуждение проблем смешанных технологий на всевозможных форумах и в печатных изданиях, посвященных печатным платам.

Юрий Набатов

Аркадий Сержантов

Анатолий Бекишев

Аркадий Медведев

27–28 апреля 2009 г. в Санкт-Петербурге прошла
Международная научно-практическая конференция
«Совершенствование производства радиоэлектронной аппаратуры с использованием бессвинцовых
и смешанных технологий пайки». Центральные доклады о результатах испытаний надежности бессвинцовых и комбинированных паяных соединений [1]
прочли специалисты ОАО «Авангард» Н. Н. Иванов
и В. Д. Ивин. Конечно, рекомендации по пайке «бессвинцовых» компонентов припоем типа ПОС-61
можно сделать только после завершения работ ОАО
«Авангард». Но работающие предприятия до получения окончательных рекомендаций на свой страх
и риск принимают индивидуальные решения, чтобы не останавливать текущее производство.

Сложившаяся практика использования импортных компонентов с пайкой оловянно-свинцовыми
припоями позволяет сформулировать общие рекомендации по технологии пайки.

  1. Все компоненты, предназначенные для бессвинцовой пайки, имеют покрытия, смачиваемые при определенных условиях оловянно-свинцовыми припоями [1]. Мало того, сертификационные центры
    (вторые поставщики компонентов) проверяют паяемость (смачиваемость) выводов по стандартной
    методике ГОСТ 28235-89 (МЭК 68-2-54-85) с припоем ПОС-61 и флюсом ФКСп. Значит, здесь проблем возникнуть не может.
  2. Теперь уже все убедились, что все компоненты
    и печатные платы должны к процессу пайки приходить сухими [3]. Это связано с относительно
    длительным временем пребывания элементов паяного узла в зоне группового нагрева. Это и раньше было актуально, особенно при автоматизированной пайке волной припоя, да и при пайке паяльниками. Особенно влажным летом. Сейчас,
    при групповых методах пайки, необходимость удалять влагу и хранить компоненты и платы в сухих
    камерах стала очевидным требованием для предотвращения эффекта типа «попкорн» и дефектов
    в виде расслоения плат.

На упаковках теперь указывается возможное время
пребывания компонентов в распакованном состоянии
до пайки. Высушенные платы могут быть использованы в течение одной смены. Если же проводится ручная установка компонентов на плату, то приходится
использовать дополнительную сушку до пайки.

  1. Гораздо сложнее обстоит дело с компонентами типа BGA с шариковыми выводами из бессвинцовых
    припоев. Дело в том, что непременным условием
    качественной пайки BGA-компонентов является расплавление шариков выводов. При температурах
    групповой пайки оловянно-свинцовыми припоями бессвинцовые шарики выводов не расплавляются полностью (жидко-текучее состояние), что необходимо для «осаживания» корпуса BGA и ориентирования его на монтажном поле платы. Некоторые
    [2] предлагают варварский способ решения этой
    проблемы: проводить процесс «реболлинг». Это замена бессвинцовых шариков на оловянно-свинцовые. При этом корпус подвергается воздействию минимум двух термоударов и теряются все гарантированные обязательства на BGA-компоненты.

Более приемлема пайка BGA-компонентов с бессвинцовыми шариками на паяльную пасту на основе
оловянно-свинцового припоя. Испытания, проведенные специалистами ОАО «Авангард», подтвердили
это. Очевидно, что расплавленный оловянно-свинцовый припой смачивает поверхность шариковых выводов, растекается по их поверхности и образует с ними надежную прочную химическую и металлургическую связь [1]. Внешнее проявление завершения
пропая шариковых выводов BGA — диффузия свинца из ПОС по всему объему шарика [1].

  1. Тем не менее, термопрофиль пайки (время, температура и т. д.) определяется типом BGA [4]. Хорошо, когда схемотехники и конструкторы учитывают необходимость подбора BGA-компонентов с одинаковым термопрофилем пайки. Но, как
    правило, они игнорируют требования производства. Тогда при наличии BGA-компонентов с разными циклограммами пайки на плату необходимо первоначально устанавливать только BGA с минимальными температурами пайки. Остальные
    BGA-компоненты устанавливаются и паяются позже на ремонтном центре типа Martin.
  2. Все BGA-компоненты должны храниться в герметично закрытой таре и извлекаться из нее только
    при наличии полного комплекта компонентов,
    чтобы время от распаковки до начала пайки было
    максимально ограничено.

При наличии BGA-компонентов не в герметичной
упаковке они должны быть выдержаны в шкафах сухого хранения для извлечения накопившейся влаги
и храниться в этих шкафах до использования
в сборке.

  1. Паять электронные узлы с BGA-компонентами следует в туннельных печах с количеством зон нагрева не менее чем по 8 сверху
    и снизу и минимум по две зоны охлаждения сверху и снизу. Хорошо, когда на узле
    отсутствуют «теневые» эффекты.

Минимальный набор задаваемых и поддерживаемых параметров: температура для каждой зоны отдельно, минимальный допуск на
поддержание температуры, скорость конвейера, скорость потока горячего газа снизу
и сверху, скорость потока холодного воздуха
в зоне охлаждения.

  1. Но лучшие условия для пайки электронных
    узлов с разнородными элементами создает
    технология конденсационной пайки [5].
    В конденсационных печах невозможны перегревы, в том числе и локальные, даже при
    наличии на одной плате совершенно разнородных электронных компонентов по габаритам и массе. Главное их преимущество:
    температура пайки определяется температурой кипения (конденсации) рабочей жидкости, время — завершением процесса конденсации.
  2. Предпочтительное покрытие монтажных
    поверхностей на плате под пайку — иммерсионное олово с разделительным барьерным
    слоем из органического металла между оловом и медью, который предотвращает образование интерметаллидов и за счет этого сохраняет паяемость в течение длительного
    времени (по крайней мере, гораздо более года) [6]. Иммерсионное олово — хорошая
    альтернатива иммерсионному золоту, которому свойственна непредвиденная потеря
    паяемости. Это обусловлено высокой температурой процесса осаждения никеля (подслоя) и золота (~85 °С) и избыточной концентрации фосфора в растворе осаждения,
    а также иногда и из-за остатков тонких пленок на золоте, когда паяльная маска формируется по иммерсионному золоту.
  3. Для пайки нужно использовать паяльные
    пасты и флюсы в соответствии с рекомендациями для данного типа BGA. При их
    отсутствии использовать паяльную пасту
    на основе припоя типа ПОС-61. Например,
    водосмывная паста Sn63Pb37 со слабоактивированным флюсом типа R562 фирмы
    KESTER для нанесения через трафарет
    (IPC/J-STD-004 Flux Designator ORM0).
  4. Если в структуре плат присутствуют «толстые» слои «земли» и питания, и они для
    отвода тепла контактно замыкаются на металлизированные торцы печатных плат,
    или если плата припрессована к металлическому основанию, то электронный узел
    на основе этого монтажного основания
    нельзя паять в туннельной печи с ИК или
    конвекционным нагревом. Единственная
    технология, приемлемая для таких монтажных оснований, — конденсационная пайка. При ее отсутствии можно сначала паять
    BGA-компоненты на установке Martin, а затем вручную допаивать все остальное.
  5. Признак качественной пайки BGA-компонентов: корпус с шариковыми выводами
    должен «просесть» за счет расплавления
    паяльной пасты и сориентироваться на
    контактных площадках печатной платы.
  6. Отмывать электронные узлы нужно в предусмотренных для этого жидкостях. Окончательную отмывку нужно проводить в деионизированной воде при температуре
    55…65 °С. Для хорошей промывки пазух
    под корпусами BGA-компонентов целесообразно использовать ультразвук [7].
  7. Качество пайки можно контролировать на
    эндоскопе с подсветом, например от фирмы ERSA. Но эндоскоп позволяет увидеть
    только несколько рядов паек и «не видит»
    поры в паяных соединениях, поскольку
    смешанная технология пайки BGA-компонентов отличается от стандартной своеобразием образования паяных соединений.
    Для хорошей гарантии качества лучше контролировать их на специализированной
    рентгеновской установке.

Предложенные читателям рекомендации авторы сформулировали на основании своего
опыта в реальном производстве электронных
модулей по смешанной технологии. Эти рекомендации не претендуют на «истину в последней инстанции». Но авторы надеются, что
они помогут специалистам-технологам осваивать новые процессы и послужат началом обмена опытом в современной сложной обстановке применения компонентов, предназначенных для бессвинцовой пайки, с их пайкой
оловянно-свинцовыми припоями с сопутствующими им флюсами.

С согласия редакции авторы предлагают читателям направлять в журнал короткие заметки с критикой предложенных рекомендаций
и собственные результаты использования смешанных технологий пайки «бессвинцовых»
компонентов.

Предложенные рекомендации одобрены
Гильдией профессиональных технологов приборостроения.

Литература

  1. Материалы Международной научно-практической конференции «Совершенствование производства радиоэлектронной аппаратуры с использованием бессвинцовых
    и смешанных технологий пайки». 27–28 апреля 2009 г.
  2. Лейтас И. Л. Проблемы бессвинцовой пайки
    в контрактном производстве электронных
    модулей / Международный семинар «Проблемы бессвинцовых технологий производства электроники». Москва, ООО «Предприятие Остек», 13–14 марта 2007 г.
  3. Сержантов А., Медведев А. Процессы увлажнения и сушки печатных плат // Технологии приборостроения. 2007. № 1.
  4. Медведев А., Арсентьев С. Маркировка компонентов, печатных плат и электронных
    сборок на присутствие/отсутствие свинца //
    Компоненты и технологии. 2008. № 7.
  5. Fillor U., Zabel C. Надежность процесса для
    бессвинцовой пайки // Технологии в электронной промышленности. 2007. № 4.
  6. Медведев А. Покрытия под пайку // Технологии в электронной промышленности.
    2006. № 2.
  7. Медведев А. Ультразвуковая очистка поверхности печатных плат // Производство электроники. 2006. № 1.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *