Процесс пайки Pin In Paste в комбинации с преформами припоя позволяет устранить этап волновой пайки

Введение

В статье рассматривается исследование, проведенное для изучения границ применяемости аппаратно устанавливаемых монолитных преформ припоя во время SMT-процесса для PTH-компонентов. Во время этого эксперимента была поставлена задача — ответить на следующие вопросы:

1. Какой дополнительный объем припоя требуется при комбинации нанесенной паяльной пасты и преформ для полного заполнения объема отверстия?
2. На каком расстоянии могут находиться паста и преформа, чтобы при этом слиться во время пайки?
3. Каково оптимальное соотношение размеров отверстия и выводов компонента для использования преформ припоя?
4. Что такое эффект контактного выступа в PiP-процессе?
5. Каковы ограничения в размещении преформ на паяльной пасте?
6. Каковы конструктивные особенности различных PTH-компонентов для того, чтобы они были пригодны для PiP-процесса с преформами припоя?
7. Каково влияние различных типов припоя на PiP-процесс?

Тест проводился на 3,3-мм плате с использованием свинцовых и бессвинцовых материалов и процессов. Кроме результатов эксперимента, в статье подробно представлены и рассмотрены методы контроля. Результаты этого исследования, таким образом, обеспечивают технологов обширными методиками реализации технологии PiP в сочетании с преформами припоя.

Историческая справка

Большинство компонентов, которые в настоящее время используются в электронной промышленности, доступны в исполнении для применения по технологии поверхностного монтажа (SMT). Тем не менее до сих пор выпускается и большое количество компонентов, особенно разъемы, запаиваемые в сквозные отверстия, необходимые, в основном, для обеспечения механической прочности. Для пайки таких PTH-компонентов пайка волной до сих пор была наиболее часто используемым процессом монтажа.

Рис. 1. Пайка волной и PiP-процесс

Альтернативный подход для пайки PTH-компонентов — нанесение паяльной пасты на верхней стороне печатной платы (ПП) вокруг кольцевой площадки отверстия, как показано на рис. 1, и последующей пайки компонента. Этот процесс известен как PiP, и иногда его называют Paste in Hole (PiH). PiP-процесс имеет следующие преимущества по сравнению с традиционной пайкой волной припоя:

1. PiP-процесс позволяет устранить из технологического процесса громоздкие процедуры пайки волной припоя и тем самым снизить производственные затраты. PiP-процесс очень привлекателен, если учесть, что на печатных платах компоненты по большей части SMT-типа, и только очень немногие выполнены по технологии РТН.
2. В PiP-процессе печатные платы подвергаются при сборке термическому воздействию на один цикл меньше. Это устраняет потенциальные риски деградации для печатных плат за счет отсутствия дополнительной тепловой обработки.
3. При волновой пайке, если печатная плата содержит соединения с внутренними силовыми проводниками, тепло, поднимающееся снизу, рассеивается по плоскости, которая действует в качестве внутреннего теплоотвода, не позволяя верхней части отверстия достичь точки плавления припоя. Таким образом, растущие столбики припоя прекратят смачивание в области контакта с этой плоскостью, в результате чего происходит неполное заполнение отверстия. В PiP-процессе заполнение отверстия припоем не зависит от схемы разводки проводников в плате, а заполняет его из верхней части печатной платы под действием силы тяжести и тепла SMT-процесса.
4. В волновой пайке нагрев платы является результатом контакта с волной припоя, то есть присутствует значительный градиент температуры, и верхняя сторона всегда холоднее нижней. Даже при дополнительном нагреве верхней стороны платы полностью этот эффект устранить невозможно. Так как припой растекается в направлении увеличения градиента температуры, он «сопротивляется» распространению к верхней части платы, она холоднее, в результате чего отверстие заполняется не полностью. В случае с PiP-процессом ситуация иная.
5. Во время волновой пайки значительное количество меди растворяется припоем, вступающим в контакт с материалом отверстия. В PiP-процессе, так как ствол заполняется сверху и количество припоя, вступающего в контакт с медью, фиксировано, нет никакого риска растворения меди.

PiP-процесс не нов, его уже использовали в промышленности в последние 10–15 лет. Были опубликованы несколько исследований PiP-процесса, как для оловянно-свинцовых, так и для бессвинцовых печатных плат [1–3]. В традиционном PiP-процессе отверстие заполняется только от объема паяльной пасты, нанесенной на контактную площадку вокруг отверстия. Паста состоит только на 50% по объему из металла, а остальной частью объема (50%) является флюс. Таким образом, только половина от объема пасты, нанесенной на плату, заполняет отверстие. Многие изделия, используемые для серверов и сетевых приложений, имеют толщину платы >0,100″, это очень маленькие компоненты, такие как 0402 резисторы и конденсаторы. Поэтому толщина трафарета ограничена величиной 0,005″. Таким образом, паяльная паста не может обеспечить достаточный объем для заполнения отверстий PTH-компонентов без добавления дополнительного припоя, чтобы компенсировать разницу. Добавление преформ припоя может преодолеть это ограничение.

Хотя преформы припоя использовались в течение долгого времени в виде шайб, расположенных вокруг вывода компонента, их установка была громоздкой и трудоемкой. Позднее были введены некоторые методы автоматизации процесса, но для этого требуется значительное количество дополнительного оборудования, такого как контейнер с шайбами и устройством для их захвата и установки, и оборудования для автоматизированного размещения. Такой тип производства был предназначен для очень больших объемов шайб одного размера. Без этих преимуществ массового производства процесс с шайбами был ограничен ручной сборкой или использованием вибрационных приспособлений для облегчения нанесения шайб на контакты, по-прежнему со значительной долей ручного труда.

Рис. 2. Преформы припоя и паяльная паста

Недавним достижением в технологии стало появление преформ припоя в форме чип-компонентов, таких как 0402, 0603 и 0805, которые могут быть нанесены автоматическим образом, касаясь пасты, нанесенной на PTH-отверстие, но не блокируя ее (рис. 2). В процессе пайки паста разжижается, и поверхностное натяжение расплавленного припоя будет смачивать поверхность преформы и притягивать ее в расплав, позволяя ей расплавиться и гомогенизироваться с жидким припоем. Так как припой смачивает стенки ствола, он течет вниз, заполняя зазоры между выводом и стенкой отверстия. Различные типы преформ припоя, доступные на рынке, и их размеры приведены в таблице 1.

Рассмотрим задачи реализации PiP-процесса с преформами припоя: хотя PiP-процесс в сочетании с преформами припоя является привлекательным вариантом для замены пайки волной, есть некоторые проблемы, которые необходимо решить, прежде чем этот процесс может быть реализован на производственных линиях.

Основными проблемами являются:

1. Температура компонента:БольшинствоPTH-компонентов, доступныхсегодня на рынке, предназначены дляпайки волной припояи не могутвыдерживать высокие температуры SMT-оплавления.Длябессвинцовогопроцесса сборки компоненты должны выдерживать +260 °С в течение от 10до 20 с.
2. Зазор под компонентомдляпреформ: зазор требуется, чтобы позволить преформесвободно притянутьсякпаяльной пастедоплавления, а припою — стечь вотверстиепосле того, как он расплавится.Беззазоракорпус компонента будет мешатьпреформе, когда она притягивается котверстию, в результате чего образуются шарики припоявокруг компонента.

Для решения этих проблем производители оригинального оборудования (ОЕМ) должны возглавить общие усилия и привлекать поставщиков компонентов для разработки компонентов, совместимых с PiP-процессом. Как только компоненты для PiP-процесса станут доступны, следующий шаг будет заключаться в оптимизации параметров процесса сборки для успешного внедрения в производство. В этой работе было проведено тщательное планирование эксперимента с целью изучения и оптимизации процесса сбора основных переменных, влияющих на PiP-процесс в сочетании с преформами припоя.

Эксперимент

Расчет заполняемости отверстия

Первым шагом в планировании PiP-процесса будет определение количества припоя, необходимого для идеальной пайки PTH-контакта (100%-ное заполнение с высотой галтели 0,4 мм). Это выражается следующим уравнением:

RSV = BV+FV, (1)

где RSV — требуемый объем припоя; FV — объем галтели 0,4 мм; BV — объем, требуемый для заполнения отверстия. Он рассчитывается по формуле:

BV = VH–VP; (2)

где VH — объем отверстия; VP — объем вывода.

В PiP-процессе с преформами припоя количество припоя от двух различных источников (пасты и преформ) рассчитывается по формуле:

RSV = SPV+PV, (3)

где SPV — объем припоя из паяльной пасты; PV — объем преформы.

Следует отметить для указанных выше расчетов, что паяльная паста состоит на 50% из металла (по объему) и на 50% из флюса, активатора флюса и связующих компонентов. Объем паяльной пасты рассчитывают по следующему формуле:

SPV = SPV_pad+SPV_barrel, (4)

где SPV_barrel — паста в отверстии; SPV_pad — паяльная паста на плате, значение рассчитывается по формуле:

SPV_pad = S_a×h, (5)

где S_a — площадь апертуры; h — толщина трафарета.

Было обнаружено, что объем пасты, попадающий в отверстие в процессе печати, линейно пропорционален диаметру отверстия и может быть численно измерен при помощи оборудования 5DX.

Объем преформы рассчитывается по формуле:

PV = x×y×z, (6)

где х, y, z — линейные размеры преформы.

Чтобы полностью заполнить ствол отверстия и образовать галтель, с помощью приведенных выше уравнений были определены следующие параметры:

• Размеры апертуры трафарета. От этого будет зависеть количество паяльной пасты, нанесенной на контактную площадку вокруг отверстия (паста может быть нанесена и за пределы контактной площадки, увеличивая вносимый ей объем припоя).
• Комбинация преформ: после определенияразмеров апертуры следующим шагом является определениекомбинаций преформ, которые внесут требуемый объем припоя в точку пайки (1). Для расчетов была создана соответствующая таблица в программе Excel.

План эксперимента

Эксперимент был предназначен для изучения всех важных для процесса сборки переменных, участвующих в PiP-процессе с использованием преформ припоя. Все проблемы статистики и исследуемых переменных перечислены в таблице 2. Переменные были изучены независимо друг от друга. Изменялась только одна переменная, при этом другие переменные сохранялись. Постоянные значения сохраненных переменных перечислены в таблице 3.

В исследовании были разработаны и изучены следующие задачи:

• Оловянно-свинцовыйпротив бессвинцовогопроцесса сборки (задача 1).В этом исследовании 30 печатных плат былисобраны с использованиембессвинцового процесса, а 20плат— с использованиемоловянно-свинцовогопроцесса сборки. Цель заключалась в сравненииоловянно-свинцовыхибессвинцовыхPiP-процессов сборкииопределении, есть ли различие в свойствах.
• Влияние геометрии кольцевой площадки (задача 2). Целью проекта было определить, есть ли разница между квадратной и круговой формой для кольцевой площадки по отношению к PiP-процессу. Для изучения этой проблемы каждый контакт был разработан с круговой площадкой на одном конце и квадратной площадкой на другом конце штифта, как показано на рис. 3.
• Влияние типа паяльной маски (задача 3). Тип паяльной маски, нанесенной на печатную плату, может воздействовать на PiP-процесс, так как она может влиять на притягивание преформы к отверстию и поведение паяльной пасты. В данной работе 50% тестовых плат были покрыты глянцевой маской, а остальные платы— матовым типом маски и собраны с использованием PiP-процесса.
• Печать за пределы контактной площадки (задача 4).ВPiP-процессепаяльная пастачастодолжна быть нанесенавокруг кольцевойплощадкидля обеспечения дополнительногообъемаприпоя ификсации преформприпоя. Размер отпечатка пасты определяетсянеобходимым объемомприпояи доступным пространствомвокруг кольцевойплощадки. В этом исследовании были использованы трафарет для печати с апертурами размером от 3,8×3,8 до 6,4×6,4 мм, как показано на рис. 3. Наложениеотверстийбольше 6,4×6,4 ммне были рассмотреныв этом исследовании, так как это непрактичноиз-за реальныхограниченийрасположения компонентовна плате. Преформа 0805 также была размещенана углуапертуры.Цельюпроекта былоопределить, будут липаяльная пастаи припой из преформы0805 проникать в отверстие во всех случаях.
• Наложение со смещением (задача 5). Для мелких элементов дополнительное нанесение пасты может быть невозможно в одном или более направлениях из-за дизайна платы, а также в связи с ограничениями шага РТН-компонента. Для этих случаев было бы разумным наносить дополнительно пасту в направлении, где печать возможна. В этом исследовании были разработаны трафареты с увеличенными апертурами в диапазоне от 3,8×3,8 до 6,4×6,4 мм, как показано на рис. 4. Преформа 0805 также была размещена на углу площадки нанесенной паяльной пасты. Целью проекта было определить, будут ли паяльная паста и преформа проникать в отверстие во всех случаях.
• Типы преформ (задача 6). На рынке существуют несколько типов и размеров преформ. Тип преформы, используемой для конкретного компонента, определяется требуемым количеством припоя и зазором под компонентом. В данной случае были размещены несколько комбинаций преформ, чтобы достичь заполнения отверстия и изучить поведение преформ (рис. 5). Цель состояла в том, чтобы определить:
  • Будет ли припой из всех типов и размеров преформ проникать в отверстие в процессе пайки?
  • Будет ли размещение преформ в непосредственной близости друг от друга создавать проблемы, такие как образование шариков припоя и образование перемычек?
• Ограничение размещения преформ припоя (задача 7). В некоторых случаяхпреформынемогут быть полностью размещенына пасте. Поэтому преформу0805размещали вразных местах в пределахпаяльной пасты, как показано на рис. 6.Цельюработы былоопределить, будет ли припой, внесенный преформой размером 0805, проникать в отверстие во всех случаях.
• Зазор PTH-компонентов (задача 8). Одним из ключевых параметров PiP-процесса является определение оптимального зазора между выводом и стенками отверстия, чтобы обеспечить наилучшее заполнение отверстия. Преимущество меньшего соотношения отверстия и вывода состоит в том, что в таком случае требуется меньшее количество припоя для заполнения отверстия.
• Зазор PTH-компонентов — 2 (задача 9). Однако недостаткомявляется то, чтоприпой в некоторых случаях будет трудно проходить черезнебольшой зазор, что приведет к плохомузаполнению отверстия. Это также затрудняет установку компонента, особенно в автоматическом режиме. Если зазор между выводом и стенкой отверстия сделать больше, это приведет к возможным пустотам и промежуткам пайки в отверстии в связи с ослаблением поверхностного натяжения между стенками и припоем. В этом исследованиибыли рассмотрены зазоры от0,25 до 1,3 мм,как показано на рис. 7.
• Влияние выступа вывода (задача 10). Когда компонент устанавливается в отверстие, вывод выдавливает из него некоторое количество паяльной пасты. Количество выдавленной пасты будет пропорционально длине выступания вывода. ТребованиеIPCдля минимальноговыступаниядля PTH-компонентовсоставляет 1,5 мм. В этом исследовании были рассмотреныконтакты, выступающие в диапазоне от0(безвыступа) до 2,5 мм, как показано на рис. 8.Цель состояла в том, чтобы определить минимальную и максимальнуюдлину выступания контакта, допустимую дляPiP-процесса.Всеконтакты, используемые в исследовании, были скруглены, поскольку на предыдущемэтапе исследованиябыло показано, что выводы с резкими краями выталкивают большое количество паяльной пастыиз отверстия.
• Соотношение объема преформ и паяльной пасты (задача 11). Преформа содержит дополнительный объем припоя, но при этом в стандартном варианте не содержит флюса. Преформа состоит из монолитного металла, а на ее поверхности находится небольшое количество оксидов. Флюс, необходимый для создания хорошего паяного соединения, вносится из паяльной пасты. В случаях, когда добавляется большое число преформ и соотношение объем преформ/объем паяльной пасты становится очень большим, флюса может оказаться недостаточно, чтобы обеспечить качественное смачивание для всего припоя. В данной работе было определено максимальное соотношение объемов преформ и паяльной пасты с помощью схемы,показаннойна рис. 9. Апертуры трафарета были заблокированы, а объем припоя для заполнения отверстия поступал в основном от преформ. Печатные платы оплавлялись в атмосфере азота.

Рис. 3. Нанесение паяльной пасты вокруг контактной площадки с преформой 0805 на углу. (Худшим случаем является 6,4×6,4 мм. Для исследования использовались двухконтактные перемычки. Отверстие имеет круглую контактную площадку с одной стороны и квадратную — с другой)

Рис. 4. Нанесение паяльной пасты со смещением на контактную площадку с преформой 0805 на углу. (Худшим случаем является 6,4×6,4 мм)

Рис. 5. Различные комбинации преформ для достижения целевой заполняемости отверстия

Рис. 6. Ограничения на размещение преформ в пределах паяльной пасты

Рис. 7. Эффект от величины зазора между выводом и стенками отверстия

Рис. 8. Эффект от длины выступания вывода

Рис. 9. Эффект от добавления нескольких преформ с закрытым отверстием трафарета

Тестовая плата и компоненты

Были разработаны весьма жесткие тесты, чтобы изучить все проблемы, заявленные в таблице 2. Детальная информация о тестовой плате представлена в таблице 4. Все переходные отверстия были связаны с внутренними слоями платы. В исследовании изучались наиболее сложные случаи.

После разработки тестовой платы были выбраны компоненты для ее заполнения, список выбранных компонентов показан в таблице 5. Для изучения задач 1–10, перечисленных в таблице 2, использовались луженые оловом перемычки, так как они дешевы и просты для проверки и анализа. В дополнение к перемычкам на тестовой плате были размещены реальные PTH-компоненты различных типов. Все компоненты, выбранные для этого исследования, были разработаны для PiP-процесса и могут выдержать температуру оплавления при бессвинцовой пайке. Полностью собранная тестовая плата показана на рис. 10.

Рис. 10. Собранная тестовая плата и компоненты

Сборка тестовой платы

В общей сложности 50 плат были собраны в соответствии с таблицей 6.

Нанесение паяльной пасты

Был использован трафарет толщиной 0,13 мм, изготовленный при помощи гальванопластики. Размеры апертур трафарета были вычислены, исходя из приведенных ранее уравнений. Объем паяльной пасты измеряли с использованием 3D инспекционного оборудования. Параметры печати были оптимизированы для обеспечения максимального теоретически возможного объема паяльной пасты.

Размещение преформ

Следующим шагом после нанесения паяльной пасты было размещение преформ сверху на паяльную пасту. Комбинирование преформ и их размещение были рассмотрены ранее. Преформы припоя, доступные в формате упаковки «лента на катушке», были размещены при помощи соответствующего оборудования.

Размещение компонентов

Все PTH-компоненты, перечисленные в таблице 5, были размещены вручную. При этом особое внимание уделяли тому, чтобы не сместить преформы и паяльную пасту. Контактные перемычки были размещены на алюминиевом цилиндрическом стержне, действующем как поддержка для перемычек в процессе пайки. Крепления с перемычек были удалены после процесса оплавления. Следует отметить, что доступны технологии автоматического размещения PTH-компонентов, с помощью которых их можно было разместить весьма быстро.

Процесс оплавления

Платы были оплавлены в атмосфере азота и при помощи термопрофилей, рекомендованных поставщиком паяльной пасты. Следует отметить, что в этом исследовании применяли азот, но это не является обязательным условием для эффективности заполнения отверстий с использованием паяльной пасты и преформ.

Осмотр

После сборки и оплавления все платы осматривали на предмет наличия капель припоя, перемычек, заполнения отверстий, наличия верхней и нижней галтелей. Наличие больших капель припоя указывает на то, что эта преформа не была втянута в соответствующее отверстие в процессе пайки. Точную величину заполненности отверстий измеряли количественно с использованием 5DX оборудования. На рис. 11 приведен пример расчета с использованием 5DX оборудования. Расчет был выполнен на основе измерения уровня градаций серого (GL1–GL10) 10 срезов.

Рис. 11. Пример расчета заполненности отверстия

Результаты и их анализ

В этом разделе представлены результаты для каждой из задач, поставленных выше. Сначала — первичные результаты проверки под микроскопом. Затем данные, полученные от 5DX оборудования, которые были проанализированы с помощью статистического программного обеспечения и представлены в виде доступных для понимания графиков. В заключение приведено обсуждение данных и сделаны выводы согласно полученным графикам.

Оловянно-свинцовый и бессвинцовый припой

Визуальный осмотр не выявил никаких различий в заполняемости отверстий между оловянно-свинцовым и бессвинцовым припоями. Результаты 5DX исследования были представлены в виде диаграммы, показанной на рис. 12. Был проведен статистический двойной Т-тест, и результат не показал существенного различия между оловянно-свинцовым и бессвинцовым припоями. Поскольку не было обнаружено существенных различий, данные для оловянно-свинцовых и бессвинцовых исследований были объединены для анализа других переменных.

Рис. 12. Зависимость заполняемости отверстия от типа припоя в паяльной пасте

Форма контактной площадки

Визуальный осмотр не показал никаких различий между квадратной и круглой контактными площадками. Не было отмечено никаких дефектов, таких как капли припоя или образование перемычек. Результаты 5DX инспекция были построены в виде графика, который приведен на рис. 13. Был проведен статистический двойной Т-тест, и результат не показал существенной разницы в заполняемости отверстий с квадратными и круглыми контактными площадками. Поскольку не было обнаружено существенных различий, данные для квадратных и круговых контактных площадок были объединены для дальнейшего анализа.

Рис. 13. Влияние формы вывода на заполняемость отверстия

Влияние паяльной маски на печатной плате

Визуальный осмотр не показал никакой разницы между глянцевой и матовой паяльными масками. Результаты 5DX инспекции были построены в виде диаграммы (рис. 14). Был проведен статистический Т-тест, и его результаты не показали никаких существенных различий в заполняемости между глянцевой и матовой паяльными масками. Поскольку не было обнаружено существенных различий, данные для глянцевой и матовой паяльных масок были объединены для дальнейшего анализа.

Рис. 14. Влияние типа паяльной маски

Нанесение паяльной пасты за пределы контактных площадок

Визуальный осмотр с помощью 10-кратного оптического микроскопа не выявил никаких аномалий для всех случаев, показанных на рис. 3. Заполнение отверстий было близко к 100%, и было отмечено хорошее формирование галтелей вокруг площадок сверху и снизу. Результаты 5DX исследования были представлены в виде диаграммы (рис. 15). График не показывает никаких аномалий, даже в худшем случае увеличенных до 6,4×6,4 мм апертур. Эти данные говорят о том, что обе паяльные пасты и преформы 0805 были втянуты внутрь отверстия даже в самом сложном случае, когда паяльная паста была нанесена в 2,5 мм от круговой контактной площадки.

Весь процесс пайки был осуществлен с помощью паяльного оборудования для BGA, что было снято с помощью видеокамеры. Видео показало, что после достижения максимальной температуры оплавления паяльная паста плавится, втягивая преформу по направлению к отверстию. Был отмечен интересный факт, что преформа припоя плавится на несколько секунд позже паяльной пасты и тянется к отверстию в виде блока, далее полностью плавится и заполняет отверстие вместе с припоем из паяльной пасты.

Рис. 15. Зависимость заполняемости отверстия от площади нанесенной паяльной пасты

Нанесение паяльной пасты за пределы контактных площадок со смещением

Результаты были аналогичными, что и для случая без смещения. Визуальный осмотр с помощью 10-кратного оптического микроскопа не показал никаких аномалий для всех случаев, показанных на рис. 4. Заполняемость отверстия была близка к 100% при наличии сформированных верхней и нижней галтелей. Результат 5DX исследования был построен в виде диаграммы (рис. 16). Эти данные свидетельствуют о том, что паяльная паста и преформа 0805 были втянуты внутрь отверстия даже в худшем сценарии — печати со смещением на площадке 6,4×6,4 мм, где центр паяльной пасты был смещен на 5 мм от кольцевой контактной площадки.

Рис. 16. Зависимость заполняемости отверстия от смещения нанесения паяльной пасты

Типы преформ

Визуальный осмотр с помощью 10-кратного оптического микроскопа не выявил никаких аномалий для всех случаев, представленных на рис. 5. Результат показал, что все типы преформ были втянуты в отверстия, не оставляя капель припоя. Также было показано, что несколько преформ (до пяти в данном случае) могут быть размещены в непосредственной близости друг от друга без каких-либо проблем. Процент заполняемости отверстий был определен с использованием 5DX оборудования, и результат был представлен в виде диаграммы (рис. 17). Согласно графику процент заполняемости близок к целевым показателям, что показывает предсказуемость процесса.

Рис. 17. Зависимость заполняемости отверстия от размера преформы

Также был построен график для заполняемости отверстий с использованием преформ различного размера для следующего случая: толщина трафарета — 0,12 мм, нанесение пасты — 3,8×3,8 мм, диаметр отверстия — 1,8 мм, диаметр вывода — 1 мм, толщина платы — 3,3 мм. График показан на рис. 18.

Рис. 18. Заполняемость отверстия в зависимости от типа преформы

Ограничения по размещению преформы припоя

Визуальный осмотр не выявил никаких аномалий во всех случаях, представленных на рис. 6. Результат 5DX исследования показан на рис. 19 в виде графика. Данные этого графика говорят о том, что преформа была втянута в отверстие даже в самом сложном случае, когда лишь 15% преформы касалось паяльной пасты.

Рис. 19. Влияние расположения преформы припоя на заполняемость отверстия

Влияние зазора между выводом и стенками отверстия

Визуальный осмотр не выявил никаких аномалий для всех случаев, представленных на рис. 7. Количество пасты, попавшей в отверстие во время печати, было измерено с помощью 5DX оборудования. Полученные данные говорят о том, что количество пасты припоя пропорционально диаметру отверстия и соответствует следующему уравнению линейной регрессии:

L_p = 21,4+0,6d, (7)

где L_p — длина паяльной пасты внутри отверстия во время печати; d — диаметр отверстия, мм.

Заполняемость также была рассчитана для зазоров между стенками отверстия и выводом, и результат в виде графика показан на рис. 20. Видно, что фактическая заполняемость была близка к целевой для всех случаев, хотя при диаметре отверстия, равном диаметру вывода + 0,25 мм (Pin+0,25 мм), не отмечено никаких аномалий. Он не является предпочтительным из-за очень небольшого зазора, при котором трудно размещать компонент.

При значениях диаметра Pin+0,5 мм, Pin+0,76 мм и Pin+1 мм были получены наилучшие результаты, которые и были рекомендованы в качестве предпочтительных зазоров для PTH-компонентов. Хотя при диаметре Pin+1,27 мм и более произошло образование капель припоя, эти значения не являются предпочтительными, поскольку требуется больше припоя внутри отверстия и повышается риск образования пустот внутри отверстия. Следует отметить, что с увеличением числа выводов у коннектора компонента большее отношение размеров отверстия и вывода является предпочтительным, так как позволяет облегчить установку на печатную плату.

Рис. 20. Влияние зазора между выводом и стенками отверстия на заполняемость отверстия

Влияние выступания контакта

Визуальный осмотр не выявил никаких аномалий, представленных на рис. 8. Отверстия были проверены после установки выводов в них и до процесса оплавления. Рентгеновские снимки показали, что для длинных выводов (выступание 1,9 и 2,5 мм) некоторое количество пасты выталкивается из отверстия. Таким образом, рекомендуются короткие контактные выступы. Для PiP-процесса было отмечено — чем короче вывод, тем лучше заполняемость отверстия. Таким образом, для PiP-процесса выступа вообще не требуется. Однако минимальный выступ в 0,1 мм является предпочтительным для проверки отсутствия выводов. Также в этом исследовании было показано, что выводы с тупыми концами выдавливают большое количество паяльной пасты из отверстия, а выводы со скругленными или конусными концами не выдавливают пасту за пределы отверстия при их небольшом выступании (рис. 21).

Рис. 21. Зависимость заполненности отверстия от длины выступания контакта

Соотношение объема преформы и паяльной пасты

Визуальный осмотр не выявил никаких аномалий даже при соотношении объемов преформ и паяльной пасты, равном 9. Однако это соотношение справедливо только при пайке в атмосфере азота.

Пайка PTH-компонентов

Все PTH-компоненты были успешно припаяны с использованием PiP-процесса в комбинации с преформами припоя. Было сделано несколько важных наблюдений во время процесса пайки:

• Силовые модули: этот тип компонентов подходит для того, чтобы использовать PiP-процесс в комбинации с преформами. Силовые модули обычно имеют выступ, который действует как встроенный дистанцер, как показано на рис. 22. Штифты обычно скошены с двух сторон. Целью фаски является обеспечение канала для дегазации во время пайки волной. Фаска также является требованием для PiP-процесса с преформами припоя. Без фаски отверстия будут запечатаны, и преформы не смогут затечь в отверстие. Компонент был успешно припаян с помощью паяльной пасты и преформ в комбинации, показанной на рис. 23. С помощью этого конфигурации отверстие было заполнено на 100%.
• Коннекторы: в этом исследовании были припаяны два типа РТН-коннекторов с шагом2,54 и2 мм. Паяльная паста была смещена, чтобы избежать образования перемычек. Основным требованием к коннекторам является то, что он должен иметь адекватный зазор под элементом для обеспечения затекания преформ. Минимальный зазор задается следующим уравнением:

l = h+y+s, (8)

где h — толщина трафарета; y — высота преформы; s — допуск.

Например, для трафарета толщиной 0,1 мм, допуске 0,07 мм и размещения преформы 0402 высотой 0,5 мм, минимальный зазор для компонента будет равен 0,7 мм. Если компонент не имеет требуемого зазора, могут потребоваться преформы с низким профилем, с меньшей высотой.

Рис. 22. Фаска для дегазации при пайке волной

Также было отмечено, что при проектировании трафаретов и расположения преформ следует учитывать расположение дистанцеров коннектора. Может потребоваться печать со смещением, чтобы избежать случаев, когда дистанцер коннектора и компонент находятся в одном месте.

Рис. 23. Пайка выходных контактов силового модуля

Заключение

PiP-процесс в комбинации с преформами припоя показал себя как привлекательный вариант для пайки РТН-компонентов, так как он имеет несколько преимуществ по сравнению с обычной пайкой волной припоя. Тем не менее, существуют некоторые проблемы, которые необходимо решить, прежде чем он может быть реализован для массового производства. Основной задачей будет разработка РТН-компонентов для PiP-процесса. Поставщики компонентов должны переконструировать компонент так, чтобы он мог выдерживать температуру SMT-пайки и обеспечить соответствующий зазор для размещения преформ. Производители OEM-оборудования должны помочь поставщикам компонентов перепроектировать PTH-компоненты. Что же касается монтажа, то следует руководствоваться следующим принципами и замечаниями при реализации PiP-процесса в сочетании с преформами припоя:

• Нет никакого существенного различия между использованием оловянно-свинцового и бессвинцового припоя.
• Нет существенных различий между использованием глянцевой и матовой паяльной маски.
• Нет существенных различий между квадратными и круглыми кольцевыми контактными площадками.
• Паяльная паста может быть нанесена вокруг контактной площадки для увеличения объема припоя и обеспечения неподвижности преформы припоя. Даже в самом сложном рассмотренном случае и паяльная паста, и преформа были втянуты в отверстие.
• Для компонентов с малым шагом может быть невозможной печать в каком-то направлении из-за ограничений конструкции. В данном исследовании отпечатки 6,4×6,4 мм были смещены в одном направлении и припаяны без каких-нибудь проблем. Также было отмечено, что если между двумя отпечатками паяльной пасты есть промежуток 0,25 мм, не будет происходить образования перемычек для компонентов с малым шагом.
• Было отмечено, что преформа может быть размещена в любом месте при условии, что не менее 15% ее лежит в пределах паяльной пасты.
• В этом исследовании было установлено, что формирование хорошего паяного соединения может произойти даже в случае, когда объем преформ в девять раз больше объема паяльной пасты. Однако это действительно только при пайке в атмосфере азота.
• Зазоры между выводом и стенками отверстия диаметром Pin+0,5 мм и Pin+1 мм показали наилучшие результаты.
• Сильно выступающие выводы и выводы с тупыми концами выталкивают большое количество паяльной пасты из отверстия. Таким образом, рекомендуется небольшое выступание выводов (<0,5 мм).
• Если требуется использовать PTH-компоненты с длинными выводами, полное или частичное блокирование отверстия трафаретом является эффективным методом обеспечения предсказуемого количества припоя без потерь из-за избыточного выступания вывода.
• PTH-компоненты, такие как силовые модули, коннекторы с мелким шагом и RJ-45 коннекторы, были успешно припаяны в ходе этой работы. Важным требованием в данном случае служит то, чтобы коннекторы имели зазор больший, чем высота применяемой преформы.