отправка...Рекомендации по пайке электронных компонентов типа BGA
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.
- 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. - 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.
- 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].
- 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. - 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.
- 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.
- 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. - 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. - 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). - 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. - Признак качественной пайки BGA-компонентов: корпус с шариковыми выводами
должен «просесть» за счет расплавления
паяльной пасты и сориентироваться на
контактных площадках печатной платы. - 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]. - 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
- Материалы Международной научно-практической конференции «Совершенствование производства радиоэлектронной аппаратуры с использованием бессвинцовых
и смешанных технологий пайки». 27–28 апреля 2009 г. - 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. - Сержантов А., Медведев А. Процессы увлажнения и сушки печатных плат // Технологии приборостроения. 2007. № 1.
- Медведев А., Арсентьев С. Маркировка компонентов, печатных плат и электронных
сборок на присутствие/отсутствие свинца //
Компоненты и технологии. 2008. № 7. - Fillor U., Zabel C. Надежность процесса для
бессвинцовой пайки // Технологии в электронной промышленности. 2007. № 4. - Медведев А. Покрытия под пайку // Технологии в электронной промышленности.
2006. № 2. - Медведев А. Ультразвуковая очистка поверхности печатных плат // Производство электроники. 2006. № 1.