Контроль над механизмами образования пустот при пайке оплавлением

№ 6’2016
PDF версия
В статье не только описаны факторы, влияющие на образование пустот в паяных соединениях с малой и большой площадью, которые моделируют соответственно соединения 1 го и 2 го уровня в светодиодных модулях, но и рассмотрены методики снижения данного явления на каждом уровне. Кроме того, представлены результаты исследований, демонстрирующие, как состав флюса влияет на образование пустот и как оптимизировать термопрофиль, чтобы бóльшая часть летучих веществ вышла из соединения на ранней стадии процесса плавления.

Если основные требования предъявляются к электрической проводимости, то можно примириться с большим числом пустот, но каково бы ни было их количество, оно значительно снижает проводимость тепловую. Например, в модулях светодиодного освещения на рабочие характеристики критически влияет эффективность теплопередачи до подложки через интерфейс присоединения кристалла 1‑го уровня и далее до радиатора через интерфейс присоединения 2‑го уровня, так что пустоты в паяных соединениях на обоих уровнях необходимо сводить к минимуму. Пустоты в паяных соединениях возникают из-за пузырьков газа, которые остаются в объеме припоя на этапе его затвердевания. Хотя в процессе оплавления паяльной пасты воздух может быть захвачен в область соединения, обычно считается, что газы, образующие пузырьки, в основном выделяются из флюсов при улетучивании растворителей, как побочные продукты реакций активаторов с оксидами металлов и при разложении смол и прочих компонентов. Будут ли эти газы выходить из паяного соединения или останутся в них в виде пустот, зависит от множества причин, включая площадь и геометрию паяного соединения. Поскольку несмоченные области основания служат местом прикрепления пузырьков, паяемость оснований и активность флюса становятся факторами, влияющими на формирование пустот в паяном соединении. Летучие вещества, выделяющиеся в течение того времени, когда плавятся и сливаются шарики порошка припоя, являются основным источником пузырьков, вот почему основное воздействие на образование пустот может оказывать термопрофиль оплавления.

 

Введение

Существует два основных типа пустот, которые могут появиться в паяном соединении: усадочные и газовые пустоты. В современных видах припоя усадочные пустоты возникают в результате уменьшения его объема при переходе из жидкой фазы в твердую. Если припой ведет себя как эвтектический и его отверждение происходит изотермически в одну стадию с развитием твердой фазы изнутри галтели наружу, то сокращение объема приходится на внешнюю поверхность. В итоге окончательная галтель немного меньше, чем изначально сформировавшаяся в жидком состоянии, но не содержит внутренних пустот.

Ситуация усложняется, если припойный сплав ведет себя не как эвтектический и его отверждение происходит на некотором интервале температур более чем с одной стадией отверждения. Примером припоя, проявляющего такое неэвтектическое поведение, служит припой Sn‑3%Ag‑0,5%Cu, широко известный как SAC305. Отверждение начинается при температуре около +219 °C, при этом происходит увеличение дендритов основного олова (Sn), которые продолжают расти по мере того, как припой остывает до +217 °C, когда оставшаяся жидкость с повышенным содержанием серебра (Ag) и меди (Cu) затвердевает как эвтектическая. Расплавленный припой может оказаться изолированным внутри дендритной сети основного олова, и когда он отверждается, то из-за уменьшения его объема вынужденно образуется пустота. Пустоты, возникшие таким образом, имеют неправильную форму, отражающую границу раздела фаз при отверждении, а поскольку они занимают зазоры между дендритами, то наблюдается большое отношение длины к ширине. Если эти усадочные пустоты пересекают поверхность, они могут выглядеть как раковины, подобные трещинам, или как отверстия (рис. 1).

Усадочная пустота в сплаве SAC305, пересекающая поверхность галтели паяного соединения, образуя усадочную раковину

Рис. 1. Усадочная пустота в сплаве SAC305, пересекающая поверхность галтели паяного соединения, образуя усадочную раковину

Газовые пустоты являются результатом захвата пузырька газа в припое (рис. 2). Форма и размер таких пустот определяются равновесием между давлением газа и поверхностным натяжением расплавленного припоя, поэтому они обычно имеют почти правильную сферическую форму и в целом гладкую внутреннюю поверхность. Исключения возникают, когда пузырек прикреплен к одной из соединяемых поверхностей, которая не была смочена припоем (рис. 3), и когда равновесный диаметр превышает зазор соединения.

Типичная пустота, возникшая из-за захвата пузырька газа в припое

Рис. 2. Типичная пустота, возникшая из-за захвата пузырька газа в припое

Пустота, в которой газовый пузырек прикрепился к несмоченной области площадки

Рис. 3. Пустота, в которой газовый пузырек прикрепился к несмоченной области площадки

Источники газа, образующего пустоты, могут быть различными, включая улетучивание влаги, захваченной дефектами медной металлизации платы, и разложение органических веществ, осажденных в процессе гальванической металлизации. В настоящей статье рассматривается только один тип пустот — пустоты, возникающие в паяных соединениях, полученных методом оплавления, и являющиеся результатом захвата летучих соединений, которые выделяются из флюса паяльной пасты либо непосредственно из его компонентов, либо как продукты реакций при флюсовании между активаторами и оксидами поверхности.

Пузырьки газа в расплавленном припое представляют собой термодинамически нестабильную систему и образуют дополнительные поверхности в припое. Это означает, что свободная энергия системы выше, чем она была бы, если бы газ вышел. Такая дополнительная свободная энергия приводит к росту крупных пузырьков, которые обладают меньшим отношением площади к объему за счет пузырьков малого размера. Однако если это происходит только путем диффузии газа через жидкость, то процесс протекает очень медленно. Более быстрый рост наблюдается при слипании, если пузырьки находятся в движении из-за действия других сил. При таком соприкосновении меньший пузырек будет захвачен бóльшим, соответственно абсолютная величина площади раздела газа и жидкости уменьшается. При оплавлении паяльных паст происходит достаточное движение, поэтому пустоты в паяных соединениях обычно образуются в виде крупных пузырьков в относительно малом количестве.

Как только плавление завершено и расплавленный припой приходит в неподвижное состояние, единственной силой, способной переместить пузырек на хоть сколько-нибудь значительное расстояние за время, пока припой расплавлен (время пребывания выше ликвидуса), становится гравитация. Эта действующая на пузырек выталкивающая сила равна весу вытесненного припоя (сила Архимеда). То, что гравитация становится причиной удаления пустот, подтверждено склонностью пустот сохранять взвешенное состояние в паяных соединениях (рис. 4), выполненных в условиях невесомости на Международной космической станции [1].

Газовые пузырьки, взвешенные в паяном соединении, которое выполнено в условиях невесомости [1]

Рис. 4. Газовые пузырьки, взвешенные в паяном соединении, которое выполнено в условиях невесомости [1]

Выталкивающая сила работает только в одном направлении — вверх, и если геометрия соединения подразумевает отсутствие пути выхода в данном направлении, пузырек останется захваченным в паяном соединении. Именно по этой причине наблюдается максимальное образование пузырьков в соединениях с большим отношением длины к ширине, как, например, в соединениях между большими кремниевыми кристаллами и подложками.

Другим фактором, который может помешать вытеснению пузырьков из паяного соединения выталкивающей силой, является блокирование пути выхода уже успевшим застыть припоем. Вероятность того, что газовые пузырьки будут захвачены отвержденным припоем, возрастает, если они образуются ближе к концу цикла оплавления и если увеличено время нахождения выше ликвидуса. Если путь выхода не заблокирован из-за геометрии соединения, газ, выделяемый в начале периода, в течение которого припой расплавлен, выйдет прежде, чем соединение начнет отверждаться.

 

Методики снижения образования пустот

Если допустить, что масса газа, содержащегося в конкретном пузырьке, неизменна, то размер пузырька при данной температуре зависит от поверхностного натяжения припоя и атмосферного давления. Это описывается математически уравнением Юнга — Лапласа, которое можно выразить в следующей форме:

Pb = Pa+2γ/r,                        (1)

где r — радиус пузырька, γ — поверхностное натяжение поверхности раздела между пузырьком и припоем, Pb — давление в пузырьке, Pa — атмосферное давление.

Поверхностное натяжение противодействует давлению, тем самым ограничивая размер, достигаемый пузырьком при данном атмо-сферном давлении. Таким образом, очевидно, что если поверхностное натяжение удается уменьшить, то избыточное давление, которому возможно противодействие, снижается, и при данной массе содержащихся в пузырьке летучих соединений он способен увеличиться в размерах.

В процессе производства образование пустот зависит от множества факторов: от состава паяльной пасты, ее хранения и обращения с ней, от того, как именно происходит ее окончательное оплавление (рис. 5).

Факторы, влияющие на образование пустот при выполнении процессов пайки

Рис. 5. Факторы, влияющие на образование пустот при выполнении процессов пайки

Ключевыми условиями, позволяющими снизить образование пустот, являются выбор материала и управление процессом. Эти аспекты не имеют прямого отношения к паяльной пасте и в большей степени касаются подложек и компонентов, служащих основаниями паяного соединения.

Отправной момент в минимизации количества пустот в стратегиях снижения их образования — то, что пустоты формируются из пузырьков газа, создаваемого в процессе оплавления и захватываемого внутри припоя. Этот газ либо выделяется непосредственно из компонентов флюса, либо образуется как продукт реакций при флюсовании между активаторами и оксидами поверхности. На размер пузырька и его способность пробиться через припой наружу влияет поверхностное натяжение припоя. Таким образом, существует два подхода к сокращению количества пустот (рис. 6):

  1. Уменьшение количества летучих соединений, выделяемых на стадии плавления термопрофиля.
  2. Способствование выходу образовавшихся летучих соединений.
Стратегии снижения образования пустот при пайке

Рис. 6. Стратегии снижения образования пустот при пайке

 

Вклад состава паяльной пасты

Образование летучих соединений можно отследить с помощью термогравиметрического анализа. Например, на рис. 7 показана зависимость потери веса двух видов флюсов паяльных паст — флюса A и флюса B — от температуры при скорости нагрева 50 °C/мин в воздушной атмосфере.

Термогравиметрический анализ флюсов паяльных паст двух типов

Рис. 7. Термогравиметрический анализ флюсов паяльных паст двух типов

Результаты, приведенные в таблице 1, показывают, что потеря веса флюса B на стадии оплавления профиля более чем вдвое превосходит потерю веса флюса A. Можно ожидать, что если в тот период, когда припой расплавлен, образуется меньше газа, должно быть меньше возможностей для захвата пузырьков.

Таблица 1. Потери веса флюса в процессе оплавления
Флюс Общая потеря веса в цикле пайки оплавлением, % Потеря веса при предварительном нагреве, % Потеря веса при плавлении, %
Контрольный 16,26 62 38
С малым образованием пустот 17,5 85 15

Меньшее поверхностное натяжение расплавленного припоя означает, что пузырьки будут крупнее и, вероятно, поднимутся над его поверхностью, следовательно, захваченный газ может улетучиться. В процессах пайки для заданного припоя поверхностное натяжение в большой степени зависит от эффективности флюса, что в первую очередь определяется его составом.

Если необходимо минимизировать поверхностное натяжение, то понадобится методика для его измерения (рис. 8). В экспериментах по оптимизации флюса, приведенных в настоящей статье, поверхностное натяжение измерялось с помощью методики, основанной на использовании баланса смачивания [7]. В данной методике выполняется определение размера мениска, образующегося у несмачиваемой поверхности стеклянного стержня, как разницы между направленной вверх силой, регистрируемой измерителем смачивания, и силой, которая должна была бы действовать только при выталкивании стержня (выталкивающей силой). Зная диаметр стеклянного стержня, из этой разницы сил можно вычислить поверхностное натяжение.

Принцип методики измерения поверхностного натяжения [6]

Рис. 8. Принцип методики измерения поверхностного натяжения [6]

Сила f, регистрируемая измерителем смачивания, является суммой силы поверхностного натяжения и выталкивающей силы, действующих на несмачиваемый стержень по мере его погружения в припой:

f = ρghAπDγcosθ,                 (2)

где D — диаметр стержня, γ — поверхностное натяжение, θ — краевой угол, ρ — плотность припоя, h — глубина погружения стержня, A — площадь поперечного сечения стержня. Когда краевой угол на несмачиваемой поверхности достигает π радиан, увеличение регистрируемой силы при дальнейшем погружении стержня происходит только из-за выталкивающей силы. Экстраполируя выталкивающую силу в меньшую сторону (к нулевой глубине погружения), можно получить значение πDγ, из которого вычисляется поверхностное натяжение.

На рис. 9 схематично изображена экспериментальная установка: 4‑мм стеклянный стержень, закрепленный на головке измерителя смачивания [8], погружается со скоростью 0,5 мм/с до глубины 20 мм в ванну с расплавленным припоем Sn‑0,7Cu‑0,05Ni+Ge, нагретую до +240 °C [9]. Эталонное поверхностное натяжение измерялось в воздухе и без флюса.

Схематичное изображение установки для измерения поверхностного натяжения припоя


Рис. 9.
а) Схематичное изображение установки для измерения поверхностного натяжения припоя;
б) типовые результаты эксперимента по измерению поверхностного натяжения

Цель проведенного эксперимента — определить влияние вещества флюса. В ходе испытаний стеклянный стержень вдавливали в отпечаток флюса диаметром 6,5 мм и толщиной 0,2 мм, нанесенного на керамическую пластину. После подъема стержня на его конце оставался слой флюса толщиной 0,2 мм.

Результаты, приведенные на рис. 10, показывают, что при изменении состава получено существенное снижение поверхностного натяжения. Ожидалось, что это будет способствовать снижению образования пустот описанным выше путем.

Результаты измерений поверхностного натяжения

Рис. 10. Результаты измерений поверхностного натяжения

Был выполнен ряд контрольных испытаний флюса с малым образованием пустот и применением двух типов компонентов. Для моделирования силового полупроводникового компонента на обычную печатную плату с нанесенным цельным отпечатком паяльной пасты высотой 120 мкм монтировалась квадратная медная пластина со стороной 19 мм (рис. 11). Вторым компонентом был корпус CSP132 с шариковыми выводами из припоя SAC305 размером 300 мкм и шагом 0,5 мм, который монтировался на паяльную пасту высотой 120 мкм (рис. 12).

Моделирование мощного полупроводникового компонента

Рис. 11. Моделирование мощного полупроводникового компонента

Испытательный компонент CSP132

Рис. 12. Испытательный компонент CSP132

В паяльной пасте присутствовал сплав Sn‑0,7Cu‑0,05Ni+Ge, который обладает дополнительным преимуществом, заключающимся в эвтектическом поведении при затвердевании, что также может способствовать минимизации образования пустот [11]. В профиле оплавления время пребывания выше ликвидуса +227 °C составляло 90 с (рис. 13).

Профиль оплавления для оценки состава флюса

Рис. 13. Профиль оплавления для оценки состава флюса

Меры, предпринятые для снижения образования описанных пустот, показаны на рис. 14. В обоих случаях были достигнуты поставленные цели: сократить количество пустот на <10% и <5% соответственно. Кроме того, превосходные характеристики паяльной пасты, имеющей состав, позволяющий снизить образование пустот, подтвердились и для чип-компонентов. При оплавлении в азотной атмосфере наблюдался небольшой положительный эффект, оказывающий защитное действие на припой, снижая степень окисления, — в итоге у флюса остается больше запаса активности для снижения поверхностного натяжения.

Влияние флюса на образование пустот в паяном соединении

Рис. 14. Влияние флюса на образование пустот в паяном соединении

 

Снижение образования пустот с помощью условий оплавления

Для того чтобы уменьшить образование пустот, нужно удалить из состава флюса паяльной пасты вещества, способные улетучиваться или разлагаться с образованием газа на поздних стадиях профиля оплавления. Это можно сделать с помощью растворителей, которые в большой степени испаряются в процессе предварительного нагрева или в самом начале этапа плавления. Другие компоненты флюса — смолы, активаторы и регуляторы тиксотропности, а также стабилизаторы — должны обладать стабильностью и выделять минимальное количество летучих соединений, в особенности на последней стадии профиля, когда припой находится в расплавленном состоянии (время пребывания выше ликвидуса).

Но поскольку полностью исключить выделение газа на поздних стадиях плавления невозможно — особенно в пустотах, прикрепленных к несмоченным областям (рис. 15), которые могут содержать флюс, — необходимо принять меры для облегчения выхода пузырьков прежде, чем начнется отверждение. Чтобы определить, какой способ наиболее эффективен для минимизации образования пустот, следует рассмотреть факторы, как помогающие пузырькам выйти из соединения, так и препятствующие этому.

Типовые рентгеновское и оптическое изображения пустот

Рис. 15. Типовые рентгеновское и оптическое изображения пустот

В основе методов, позволяющих уменьшить вероятность образования пустот в паяных соединениях, — условия, рассмотренные ранее и относящиеся к способам их формирования. Для снижения образования пустот состав паяльной пасты должен:

  • обладать пониженным выделением улетучивающихся веществ на стадии оплавления (в течение периода, когда припой расплавлен);
  • содержать растворители, которые улетучиваются на стадии предварительного нагрева профиля оплавления;
  • сокращать поверхностное натяжение припоя.

Однако удастся ли реализовать все преимущества состава паяльной пасты для снижения количества пустот, в очень большой степени зависит от характеристик профиля оплавления, в особенности от временных параметров и длительности стадии плавления, обычно называемой временем пребывания выше ликвидуса.

 

Выполнение эксперимента

Для оценки влияния профиля оплавления на образование пустот в соединениях на больших площадках выполнялся монтаж квадратного компонента QFN размером 10 мм с оловянным покрытием на обычную печатную плату с паяльной пастой, нанесенной толщиной 130 мкм. Применялось два типа профилей оплавления: один с коротким временем пребывания выше ликвидуса и низкой пиковой температурой, а другой — с длительным временем пребывания выше ликвидуса и высокой пиковой температурой (рис. 16).

Профили оплавления и компоненты для оценки образования пустот в соединениях на больших теплоотводящих площадках

Рис. 16. Профили оплавления и компоненты для оценки образования пустот в соединениях на больших теплоотводящих площадках

Для сплава Sn‑0,7Cu‑0,05Ni+Ge с флюсом A (рис. 17) более длительное время пребывания выше ликвидуса и более высокая пиковая температура приводят к снижению образования пустот. Предполагается, что высокое образование пустот при низком профиле связано с более слабым смачиванием, из-за чего возникает множество несмоченных областей, к которым могут прикрепляться пузырьки, а также с меньшим временем, в течение которого захваченные пузырьки могут выйти из расплавленного припоя, пока его температура выше ликвидуса. Наименьшая средняя пустотность получена при комбинации низкого профиля и флюса B, составленного таким образом, чтобы летучие соединения максимально выделялись в процессе предварительного нагрева или на ранней стадии плавления и для хорошего смачивания обеспечивалась высокая активность с минимальным образованием несмоченных областей, к которым могут прикрепляться пузырьки. Предполагается, что при комбинации флюса B и высокого профиля образование пустот происходит интенсивнее, и это связано с бóльшим образованием несмоченных областей из-за истощения активности флюса, вызванного длительным временем пребывания выше ликвидуса. Поскольку флюс B составлен так, чтобы летучие соединения по максимуму выделялись в процессе предварительного нагрева, растворителя для сохранения подвижности и активности флюса было меньше в течение продолжительного периода пребывания выше ликвидуса, когда возможно повторное окисление соединяемых оснований.

Влияние профиля оплавления на образование пустот в соединениях на больших теплоотводящих площадках при применении припоя Sn 0,7Cu 0,05Ni+Ge с флюсом A (слева) и флюсом B (справа)

Рис. 17. Влияние профиля оплавления на образование пустот в соединениях на больших теплоотводящих площадках при применении припоя Sn 0,7Cu 0,05Ni+Ge с флюсом A (слева) и флюсом B (справа)

Безусловно, важное значение имеет хорошее смачивание оснований, чтобы отсутствовали несмоченные области или области с неполным смачиванием, которые могут представлять собой точки для прикрепления пузырьков, как показано на рис. 3. В случае паяных соединений малого размера, например компонентов BGA и столбиковых выводов, поверхностное натяжение расплавленного припоя настолько велико, что выталкивающей силы недостаточно для отрыва пустот от несмоченных областей.

На рис. 18 приведен пример ситуации, возникающей в паяном соединении малого размера, где пузырек, прикрепленный к несмоченной области, состоит из остатка флюса. При увеличенном времени пребывания выше ликвидуса в остатке флюса продолжают выделяться летучие соединения, и пока припой расплавлен, пустота будет расти.

Типичный пример несмоченной области и остатка флюса, захваченного в виде пустоты в паяном соединении малого размера

Рис. 18. Типичный пример несмоченной области и остатка флюса, захваченного в виде пустоты в паяном соединении малого размера

Для оценки образования пустот в соединениях малого размера на подслое столбиковых выводов Ti/Ni/Cu были подготовлены припойные столбиковые выводы размером 100 мкм из пасты с порошком SAC405 типа 5 и флюсом типа ROL0. Сборка подвергалась пайке оплавлением с профилями, время пребывания выше ликвидуса которых изменялось в диапазоне 50–210 с (рис. 19).

Влияние типа профиля оплавления на степень образования пустот в соединениях малого размера

Рис. 19. Влияние типа профиля оплавления на степень образования пустот в соединениях малого размера

Результаты показывают, что занятую пустотами область можно уменьшить, сократив время нахождения выше ликвидуса, поскольку это сводит к минимуму испарение летучих соединений флюса в ходе стадии плавления профиля. При использовании профилей типа «нарастание до пика» и «нарастание до пика + короткое время пребывания выше ликвидуса» предварительный нагрев эффективен для снижения образования пустот, поскольку он позволяет выйти избыточным летучим соединениям до начала плавления. Таким образом, как и ожидалось, для паяных соединений малого размера более короткое время пребывания выше ликвидуса и пониженная пиковая температура оплавления могут внести реальный вклад в минимизацию вероятности наличия газа, образуемого при разложении компонентов флюса в пустотах, захваченных на несмоченных областях.

 

Снижение образования пустот с помощью вакуумного оплавления

Единственная внешняя сила, оказывающая влияние на пузырек, — сила гравитации, действующая посредством выталкивания. Значение выталкивающей силы растет с увеличением размеры пузырька, следовательно, все, что способствует этому, будет повышать вероятность его выхода.

Если не принимать во внимание уменьшение поверхностного натяжения, то единственным способом увеличить размера пузырька остается снижение атмосферного давления. Поскольку произведение давления и объема остается неизменным (закон Бойля), то, если атмосферное давление снижается, объем газа при постоянной температуре увеличится. Как объяснялось ранее, в случае пузырька газа в жидкости равновесие усложняется наличием поверхностного натяжения на границе газа (пузырька). При отсутствии поверхностного натяжения снижение давления вокруг расплавленного припоя с нормального атмосферного давления 101 кПа до 10 кПа привело бы к увеличению диаметра пузырька примерно вдвое. Если давление уменьшилось бы до 1 кПа, диаметр пузырька увеличился бы в 4 раза. При наличии поверхностного натяжения, ограничивающего размер пузырька, и при данном сокращении давления из-за того, что размер пузырька увеличивается, уменьшение атмо-сферного давления приведет к даже большему увеличению размера пузырька.

Существует два эффекта, связанных с увеличением размера пузырька и повышающих вероятность выхода наружу содержимого пузырька. Простые геометрические соображения указывают на то, что крупный пузырек с большей вероятностью встретится и сольется с другим пузырьком. А чем больше пузырек, тем скорее он коснется внешней поверхности припоя и покинет его. Поскольку выталкивающая сила связана с объемом вытесненного припоя, она растет пропорционально кубу диаметра пузырька, таким образом создается быстро растущая сила, способствующая удалению пузырька. Увеличение размера пузырька вдвое приводит к восьмикратному повышению объема и, как следствие, выталкивающей силы. Увеличение диаметра вчетверо приводит к возрастанию выталкивающей силы в 64 раза.

Сейчас на рынке доступно оборудование вакуумной пайки оплавлением, способное уменьшать давление, действующее на расплавленный припой, до 1–10 кПа. Для оценки был использован испытательный образец (рис. 16), который подвергался ряду дополнительных контрольных тестов с применением чип-резисторов и конденсаторов 1608 и 2125.

Данные, приведенные в таблице 2, показывают, что применение вакуума в течение времени пребывания выше ликвидуса может значительно снизить уровень образования пустот, особенно в соединениях на теплоотводящих площадках с большой площадью (рис. 20), и свести к минимуму образование пустот как для крупных, так и для малых паяных соединений. Вероятно, что большинство пустот, остающихся после вакуумного оплавления, — это пустоты, прикрепленные к несмоченным областям.

Влияние флюса на образование пустот

Рис. 20. Влияние флюса на образование пустот:
а) в паяном соединении с большой площадью;
б) в соединениях компонента CSP

Таблица 2. Влияние флюса на образование пустот в соединениях чип-компонентов при вакуумной пайке
Компонент Образование пустот
Контрольный флюс Флюс с малым образованием пустот
Кол-во % Кол-во %
CR1608 9/200 4 0/200 0
CC1608 2/200 1 0/200 0
CR2125 30/270 11,1 0/270 0
CC2125 3/270 1,1 0/270 0

 

Выводы

Хотя полностью устранить пустоты невозможно, их образование удается свести к минимуму с помощью системного подхода, основанного на выявлении причин, задействованных в образовании пустот. В приведенном исследовании показано положительное влияние следующих факторов с достижением целевых уровней формирования пустот:

  • изменение состава для минимизации выделения летучих соединений в течение той части профиля оплавления, когда припой расплавлен;
  • оптимизация состава для снижения поверхностного натяжения припоя;
  • максимизация возможности выхода пустот из расплавленного припоя за счет увеличения времени нахождения выше ликвидуса;
  • применение вакуума, когда припой расплавлен.

Попутно было подтверждено положительное влияние азотной атмосферы.

Авторы выражают благодарность г‑ну Митсухиро Кавахара (Mitsuhiro Kawahara), отвечавшему за разработку состава паяльной пасты с малым образованием пустот, за его работу и проведение экспериментов, представленных в данной статье.

Литература
  1. ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20060013420_2006014337.pdf/ссылка утрачена/
  2. IPC-A‑610. Acceptability of Electronic Assemblies. IPC-Association Connecting Electronic Industries, Bannockburn, IL 60015, USA. Article 5.2.2.
  3. IPC-A‑610. Acceptability of Electronic Assemblies. IPC-Association Connecting Electronic Industries, Bannockburn, IL 60015, USA. Article 8.2.12.4.
  4. JIS C 61191-6. Printed board assemblies-Part 6. Evaluation of criteria for voids in soldered joints of BGA and LGA and measurement methods. Japanese Standards Association, 4-1-24. Akasaka Minatoku, Tokyo, Japan.
  5. Herron D., Liu Y., Lee N.-C. Voiding Control at QFN Assembly. Proceedings of the Pan Pacific Microelectronics Symposium, 2011.
  6. Fraunhofer Institute for Reliability and Microintegration, Investigation Report FB413/IF2005.405/2005-365. Determination of the Properties of Liquid Solders during Wave and Selective Soldering.
  7. Miyazaki M., Mizutani M., Takemoto T., Matsunawa A. Conditions for the Measurement of Surface Tension of Solders with a Wetting Balance Tester // Trans. JWRI. 1977. Vol. 26. № 1.
  8. Rhesca Solder Checker SAT‑500.
  9. Nihon Superior lead-free solder alloy Sn0.7Cu0.05Ni+Ge. US Patent No. 6180055.
  10. Eightech Tectron Co. Ltd Vacuum Reflow Oven Model RSV12M‑612‑WD.
  11. Ventura T., Gourlay C. M., Nogita K., Nishimura T., Rappaz M., Dahle A. K. The influence of 0–0.1 wt.% Ni on the microstructure and fluidity length of Sn‑0.7wt%Cu-xNi // Journal of Electronic Materials. Vol. 37. № 1.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *