Курс на «зеленую» электронику. Halogen-free паяльные пасты и их влияние на отмывку электронных сборок

С тех пор как галогены, содержащиеся в паяльных пастах, особенно бромиды и хлориды, стали рассматриваться как опасные для здоровья и окружающей среды, многие компании, в частности крупные производители электроники, видоизменили свои продукты, чтобы вывести на рынок более экологически чистую продукцию.

Что же означает термин halogen-free?

Галогены играют важную роль как активаторы в паяльных пастах и флюсах, так как они имеют большое влияние на смачивающие свойства припоя и паяльной пасты. В связи с этим возникают вопросы: что же означает полный отказ от галогенов для паяльных паст и флюсов и как это повлияет на процесс пайки и последующий процесс отмывки? С точки зрения химика halogen-free означает, что никаких соединений фтора, хлора, брома и йода в продуктах быть не может. В электронной промышленности хлор и бром главным образом используются в виде активаторов для флюсов и органических антипиренов. Различные стандарты устанавливают пределы содержания галогенов или галогенидов. В стандартах JPCA-ES-01-2003, IEC 614249-2-21 и IPC 4101B определен предел содержания галогенов в сборках в 900 миллионных долей для каждого из галогенов — хлора и брома (табл. 1). Последние два стандарта (IEC и IPC) предусматривают предел общего содержания галогенов (хлора и брома вместе) <1500 миллионных долей.

С другой стороны, J-STD 004 (табл. 2) классифицирует содержание галогенидов в паяльной пасте и флюсах по степени потенциальной коррозии флюсовых остатков после пайки. В этом стандарте использованы следующие категории: L (низкий уровень), M (средний) и H (высокий). Кроме того, присваивается индекс 0 или 1 для содержания галогенидов (0 — галогениды отсутствуют вообще или их меньше 0,05 массовой доли %; 1 — галогениды присутствуют).

Halogen-free (не содержащий галогенов) = halide-free (не содержащий галогенидов)?

В этом контексте важно отметить, что понятие halogen-free (не содержащий галогенов) не является синонимом термину halide-free (не содержащий галогенидов). Флюс, который классифицируется как L0 по J-STD 004, содержит меньше чем 0,05% ионных галогенсодержащих соединений (= галогенидов).

Тем не менее этот флюс может содержать соединения галогенов, например, органические кислоты, являющиеся активаторами, могут содержать хлор или бром. Следовательно, они не обязательно являются не содержащими галоген в соответствии с IEC 614249-2-21.

Согласно J-STD 004 метод, используемый для определения типа флюса, — ионная хроматография. Однако этот тестовый метод позволяет определять только галогениды, а не органические соединения галогенов. (Галогениды — это ионы, которые имеют заряд, в растворах существуют отдельно от остальной молекулы и проявляют собственную химическую активность, а галогены как заместители в органических соединениях прочно связаны с молекулой-основой и в химические реакции самостоятельно, как правило, не вступают. То есть с точки зрения коррозионной активности они значения не имеют. Их регламентируют только из экологических соображений. — Прим. переводчика.)

Таким образом, для проверки наличия галогенов в соответствии с IEC 614249-2-21 с помощью ионной хроматографии необходимо провести предварительную пробоподготовку, руководствуясь EN 14582. При этом органические соединения галогенов восстанавливаются в галогениды, которые после этого могут быть определены хроматографически.

Итак, перечисленные выше стандарты могут приводить к путанице в терминах: halogen-free (не содержащий галогенов) и halide-free (не содержащий галогенидов).

Halogen-free — влияние на процесс сборки

Использование halogen-free флюсов и паяльных паст сильно влияет на производство сборок. Галогены в паяльных пастах способствуют раскислению контактных площадок и припоя, улучшают смачивающие свойства и характеристики процесса оплавления. Как правило, галогены положительно влияют на время жизни пасты на трафарете, термическую стабильность, технологическое окно процесса и срок годности изделия.

Halogen-free, безотмывочные паяльные пасты потенциально могут вызвать проблемы в процессе смачивания и оплавления припоя, особенно в случаях, требующих длительного профиля пайки, и преимущественно на небольших компонентах, таких как 0201. Чем меньше размер контактной площадки, тем больше она подвержена окислению. Это соотношение основано на общем содержании флюса. (На маленькие площадки попадают совсем ничтожные количества флюса, и если в каком-то месте он не очень эффективно отработает, то на маленькой площадке это будет значительная часть общей площади контакта. — Прим. переводчика.) Следовательно, для раскисления маленьких контактных площадок необходимы сравнительно большие количества флюсов или активаторов. Таким образом, существует опасность недостаточного смачивания паяных соединений при использовании halogen-free паяльных паст. Более того, исключение галогенов как активаторов из состава флюса может способствовать появлению дефекта «голова на подушке» из-за недостаточного оплавления припоя.

Производители паяльных паст обычно используют смесь различных органических кислот в качестве активаторов для компенсации недостатка галогенов. Проблемой в этом случае является то, что пока еще неизвестно, как эти активаторы влияют на последующие процессы, например отмывку сборок. Следовательно, в первую очередь необходимо изучить возможность удаления флюса, остающегося после оплавления популярных halogen-free паяльных паст.

Цель исследования и его структура

Цель исследования: изучить возможное влияние замененных активаторов на процесс отмывки и установить, что при использовании подходящих очистителей это не вызывает проблем, ожидаемых при переходе к halogen-free, безотмывочным паяльным пастам. Такое исследование было проведено в полном объеме в техническом центре компании ZESTRON (Ингольштадт, Германия).

В первую очередь была сделана выборка безотмывочных паяльных паст, доступных на рынке и имеющих специальную halogen-free маркировку. Причем основное преимущество при этом выборе имели производители паяльных паст, с которыми существует долгосрочное сотрудничество и которые предоставляют образцы вновь разработанных паст и флюсов для регулярного тестирования в различных отмывочных процессах. Результаты всех испытаний добавлены в общую базу данных, которая сейчас включает свыше 600 протестированных паяльных паст. (Имеются в виду все пасты, протестированные в техническом центре, включая и галогенсодержащие. На российском рынке количество доступных паст в десятки раз меньше, и выбор пасты для конечного потребителя существенно более сложен. — Прим. переводчика.)

Для исследования было выбрано 16 распространенных, не содержащих галоген паяльных паст следующих производителей: AIM, Almit, Alpha, Heraeus, Indium, Koki, Multicore, Srannol (указаны в алфавитном порядке). Затем на образцы печатных плат, изготовленных из стеклотекстолита FR4, методом трафаретной печати были нанесены выбранные halogen-free паяльные пасты и оплавлены в соответствии со спецификацией производителя. Важно отметить, что профиль оплавления не был изменен по сравнению с профилем, используемым для традиционных галогенсодержащих безотмывочных паяльных паст. Для получения повторяемых результатов было сделано по четыре образца с каждой паяльной пастой.

Испытание отмывки в техническом центре

После процесса пайки тестовые платы были вымыты с помощью различных процессов в техническом центре в соответствии с предписанной процедурой испытаний. В процессе менялись несколько критериев.

Первый: для каждой пасты были испытаны различные отмывочные среды. А именно, это были жидкости на водной основе, использующие MPC-технологию, жидкости на основе ПАВ и жидкости на основе растворителей. (То есть жидкости типа VIGON N600, VIGON А250 и VIGON A300; жидкости типа ATRON и жидкость ZESTRON FA. — Прим. переводчика.)

Второй: были протестированы отмывка распылением (как в ванновом, так и в конвейерном оборудовании) и все популярные виды отмывки погружением с типичными параметрами для каждого процесса (параметры приведены в таблице 3).

После завершения операций отмывки все тестовые платы были проверены на чистоту в аналитическом центре. Проверка качества отмывки была выполнена путем визуального контроля с помощью микроскопа с 20–200-кратным увеличением. Результаты оценены в соответствии с IPC-A-610E. Достигаемый уровень чистоты и количество обнаруженных остатков были классифицированы как полностью удаленные, частично удаленные и неудаленные.

Результаты тестов для halogen-free паяльных паст

Оценка серии испытаний с halogen-free паяльными пастами показывает, что хорошие результаты могут быть достигнуты со всеми протестированными отмывочными процессами. MPC-технология и растворы ПАВ наилучшим образом удаляют остатки halogen-free паяльных паст. Подробное изучение результатов отмывки показывает, что при стандартных параметрах процесса полностью или частично удаляются остатки 97% изученных не содержащих галогены паяльных паст. В частности, pH нейтральная отмывочная жидкость демонстрирует полное удаление остатков вплоть до 75% изученных образцов. (Видимо, речь идет об одной из последних разработок компании ZESTRON — продукте VIGON N600. — Прим. переводчика.) Только в 3% из общего объема выборки невозможно удалить остатки в достаточной степени. Однако важно отметить, что в каждом из этих случаев были использованы разные halogen-free паяльные пасты.

Ультразвуковой процесс с использованием растворителей (ZESTRON FA) тоже показывает отличные результаты: полностью удаляется 81% остатков паяльных паст. В жидкостях на водной основе (например, VIGON А250. — Прим. переводчика) в процессах отмывки струями в жидкости оптимальный результат отмывки был получен для 38% halogen-free паяльных паст. Для всех случаев, кроме одного, было показано, что незначительная корректировка параметров процесса позволяет получить необходимую степень очистки.

Сравнение результатов теста для безотмывочных паяльных паст

Разумно систематизировать полученные результаты тестов с halogen-free безотмывочными паяльными пастами, проведя прямое сравнение с доступными на рынке безотмывочными пастами. В этом исследовании изучали все безотмывочные паяльные пасты, не содержащие специальной маркировки halogen-free, которые имели превышение предельного значения по галогенам. Для этого авторы обратились к базе данных компании (имеется в виду уже полученная база данных компании ZESTRON, в которую включены результаты всех тестов, проведенных в техническом центре компании за много лет работы. — Прим. переводчика). В нее включено огромное количество результатов всех экспериментов по отмывке различных паяльных паст, флюсов и адгезивов, и эта база данных является основой для разработки процессов, их изменения и оптимизации.

Для получения данных сравнивали идентичные процессы с одинаковыми параметрами. Прямое сравнение показывает, что когда используются halogen-free паяльные пасты, требуется несколько большая оптимизация процесса. Несмотря на то, что полностью удаляется до 69% остатков традиционных безотмывочных паяльных паст, только 52% остатков halogen-free паяльных паст может быть полностью удалено. Количество процессов, которые требуют оптимизации, пропорционально больше: 45% для halogen-free паяльных паст по сравнению с 28% для обычных безотмывочных паст. В обоих случаях только 3% от общего количества результатов — неудовлетворительны. В таких редких случаях можно подобрать альтернативные отмывочные среды, которые обеспечат необходимую степень очистки.

Главное — нужно понимать, что каждый очиститель для сборок позволяет очищать разные типы паст. Может получиться, что очиститель B полностью удалит все остатки, а очиститель А фактически ничего не вымоет. Следовательно, можно утверждать, что независимо от природы чистящего процесса переход к halogen-free паяльным пастам не является большой проблемой (рис. 1). Из-за того что увеличивается количество процессов, которые требуют оптимизации при использовании не содержащих галоген паяльных паст, по сравнению с традиционными безотмывочными пастами в представленной серии испытаний, мы рекомендуем пользователям заниматься изменением процесса, тщательно обдумывая последствия. Желание применять halogen-free паяльные пасты (рис. 2), совместимые с используемыми в настоящее время отмывочными жидкостями и оборудованием, вполне осуществимо, но необходимо заниматься процессом в тесном сотрудничестве со специалистами в области очистки.

Рис. 1. Результаты очистки флюсовых остатков halogen-free паяльных паст различными очистителями без изменения параметров процесса (классификация результатов по трем типам)

Рис. 2. Сравнение результатов очистки флюсовых остатков традиционных и halogen-free паяльных паст

Заключение

Согласно европейским законам, таким как REACH, идея развития «зеленого» производства находит все больше последователей. В таком случае переход с паяльных паст к halogen-free продуктам играет важную роль.

Проведенное исследование показало, что, когда используются подходящие отмывочные жидкости, переход к halogen-free паяльным пастам не представляет проблемы, даже если имеющийся отмывочный процесс и требуемая чистота поверхности остаются такими же. Изменение отмывочной жидкости, как правило, не является необходимым. Однако до начала применения новые паяльные пасты необходимо тестировать на совместимость флюсов, содержащихся в пастах, с отмывочной жидкостью и, если потребуется, провести незначительную корректировку параметров процесса.

Основываясь на этом исследовании, компания ZESTRON может дать детальные рекомендации относительно существующего и обновленного процесса. Более того, доступны последние тесты halogen-free паяльных паст, которые проводятся регулярно, чтобы подтверждать текущие данные и заключения. С тех пор как компания перестала использовать сомнительные некачественные материалы, все отмывочные жидкости изготавливаются без применения галогенсодержащих соединений, и все жидкости на водной основе имеют низкий уровень летучих органических веществ — меньше 20%. Следовательно, в дополнение к работе с экологически чистыми паяльными пастами использование подходящих отмывочных жидкостей становится еще одним шагом по направлению к «зеленой» электронике.

Краткое резюме переводчика

Безусловно, в России пока тенденция к использованию halogen-free материалов еще не видна, но, так как материалов отечественного производства на нашем рынке фактически нет, то мы вынуждены пользоваться тем, что нам предлагает зарубежный рынок. Это означает, что скоро halogen-free материалы появятся и у нас. Так что не мешает заранее изучить «противника».

Я считаю, что фактически любые материалы no-clean существенно лучше отмываются жидкостями на основе растворителей (ZESTRON FA и др.), нежели жидкостями на водной основе (VIGON и др.). Это мы можем видеть и на рис. 1: очиститель F — ZESTRON FA — явно удаляет гораздо большее количество флюсовых остатков пасты — 81%, чем все остальные очистители (лучший результат — 75%). Но так как согласно европейским нормам следует отказаться от растворителей, мы видим в статье явную рекламу очистителей на водной основе. Несмотря на этот нюанс, я считаю, что статья очень интересна для технологов, и именно это и заставило меня взяться за ее перевод.