О флюсах для селективной пайки

Для решения проблемы качества и надежности печатной платы разработчикам флюсов необходимо следовать двум дополняющим друг друга стратегиям.

Во‑первых, требуется найти оптимальное соответствие физических характеристик флюса и процесса его подачи, чтобы минимизировать появление остатков флюса на плате. Флюс и устройство для его подачи должны быть тщательно подобраны, это предотвратит забивание отверстий и обеспечит плавный поток флюса в течение всей операции, а также поможет нанести его на нужное место без растекания. Параметры подачи флюса (время открытия форсунки, частота и скорость перемещения головки) и предварительная температура нагрева платы — важные параметры [1], и их величина зависит от характеристик самого флюса (вязкость, поверхностное натяжение, содержание сухого вещества, растворитель).

Материалы, используемые в производстве, также играют важную роль. Например, оптимальная величина поверхностной энергии паяльной маски для селективной пайки обычно ниже, чем у традиционного процесса пайки волной (35 мН/м против >50 мН/м). Это необходимо, чтобы предотвратить отделение флюса от платы после его нанесения. Получается, что наилучшие результаты производства можно получить, когда состав флюса с самого начала разрабатывается при участии производителей оборудования и материалов для сборки.

Во‑вторых, химический состав флюса должен быть разработан так, чтобы минимизировать неизбежное разбрызгивание и растекание при нанесении. Брызги и растекшиеся остатки вещества в процессе пайки нагреваются, и их сложно смывать на этапе очистки. Это приводит к уменьшению надежности узла сборки, поскольку ионные остатки могут вызывать электрохимическую миграцию, коррозию и снижение сопротивления. Подобные эффекты способны вызвать поломку соединения при эксплуатации во влажной среде [2, 3]. Вот почему крайне важно установить зависимость прочности остатков от температуры нагрева. Для этой цели были разработаны активирующие вещества, увеличивающие надежность узлов при нагревании [4]. Надежность соединений, полученных селективной пайкой с применением различных флюсов, оценивается общими промышленными стандартами, тестирование флюсов проводится с помощью термоциклирования (табл. 1).

Для того чтобы установить перечисленные выше зависимости, авторы статьи провели статистически достоверный эксперимент, который был выполнен на оборудовании для селективной пайки Ersa и заключался в оценке влияния различных параметров материалов и параметров процесса на следующие факторы: качество подачи (появление закупорки или брызг), качество распределения флюса и качество процесса пайки. Результаты эксперимента приведены в следующих разделах.

Распределение флюса

На качество распределения флюса влияет величина его поверхностного натяжения и температура при подаче. Флюсы на основе спирта имеют меньшее поверхностное натяжение, чем флюсы, не содержащие летучие органические вещества, на основе воды (22 мН/м при температуре +25 °C против 72 мН/м). Повышение температуры подачи также уменьшает вязкость флюса, улучшая его распределение. Таким образом, величину предварительного нагрева платы нужно выбирать в зависимости от состава используемого флюса. Флюсы без летучих органических веществ лучше распределяются на более теплых поверхностях, тогда как флюсы на основе спирта демонстрируют обратный результат, поскольку при хорошем растекании, а следовательно, и утоньшении слоя увеличивается и скорость его высыхания. Наконец, поверхностная энергия паяльной маски — еще один значимый параметр; при селективной пайке для флюсов предпочтительна малая поверхностная энергия, ниже, чем у обычных флюсов для пайки волной (35 мН/м против >50 мН/м), так как необходимо увеличить угол контакта флюса и подложки. Это проще понять, если вспомнить формулу Юнга:

γ_SG = γ_SL+γ_LGcosθ.

Следует отметить, что предварительный нагрев платы тоже влияет на величину поверхностной энергии паяльной маски.

Исходную способность к распределению флюса авторы оценивали с помощью нанесения его на типичные платы с различными типами паяльных масок. А проверка распределения флюса в зависимости от различных внешних условий производилась его прямым нанесением на блестящую сторону алюминиевой фольги (что показало сопоставимые значения поверхностной энергии), после чего флюс высушивался нагревом и измерялся его размер (рис. 1).

Рис. 1. Измерения распределения флюса (слева: печатная плата; справа: алюминиевая фольга)

Подача флюса: закупорка, брызги

Технология высокочастотной подачи флюса разработана для того, чтобы получить более узкий распыл струи по сравнению с аэрозольными головками с мелкодисперсным разбрызгиванием или ультразвуковыми распылителями. Отклонение траектории струи флюса таким образом минимизируется, но появление брызг все равно возможно; эти, достаточно мелкие капли в струе флюса имеют разный размер и появляются в разных направлениях за пределами области прямого осаждения флюса. Их величина зависит от физико-химических характеристик флюса (вязко-упругие свойства, поверхностное натяжение), а значит, его состав должен разрабатываться с учетом характеристик процесса подачи. Очень важно снизить отрицательные последствия от появления брызг, так как брызги не будут подвергаться воздействию того же термоцикла и процесса очистки и поэтому могут стать причиной электрохимической миграции при попадании во влажную среду.

Другие часто возникающие проблемы — закупорка форсунки при подаче флюса, результатом чего является сужение каналов (обычно ширина канала составляет около 130 мкм), а также высокая летучесть флюсов на основе спирта, использующихся для селективной пайки.

И закупорка, и появление брызг определялись и оценивались во время данного эксперимента, предназначенного для проверки эффективности флюсов для селективной пайки и соответствующего оборудования. Для определения места появления и формы пятен наносимого флюса применялась факсимильная бумага. Необходимо заметить, что в предварительных измерениях распределения флюса для производства использовать факсимильную бумагу обычно не рекомендуется, поскольку происходит абсорбция флюса волокном подложки, а это приводит к получению неточных результатов.

Измерения состояли из нескольких циклов подачи флюса, выполняющихся с увеличивающимися интервалами времени между подачами. В одном цикле с 2‑секундным интервалом наносилось 20 капель. Данная последовательность повторялась еще 4 раза с задержкой в 30 с. Далее вся процедура снова повторялась 4 раза, с 15‑минутными перерывами. После этого с помощью программы анализа изображений по 500 контрольным точкам измерялись полученные формы капель флюса и положение брызг. Последовательные временные перерывы во время проведения процедуры делают ее достаточно агрессивной. По опыту, постоянный поток флюса через устройство подачи «регенерирует» его, происходит самоочистка каналов, тогда как перерывы в подаче накапливают остатки флюса, которые затем затвердевают, их труднее очистить. Таким образом, данная процедура лучше показывает все недостатки флюсов.

На рис. 2 представлены капли от разных флюсов: флюс № 2 дает практически идеальные результаты, а флюсы № 10, 6 и 13 показывают наличие тех или иных дефектов. Напомним, что появление брызг и прочих дефектов практически всегда наблюдается в начале каждого цикла процедуры, когда концентрация флюса максимальна, а значит, в этом и кроется главная причина возникновения недостатков распрыскивания.

Рис. 2. Следы при тестировании распрыскивания флюса

В общем было протестировано 15 составов флюсов, при этом анализ проводился для 500 контрольных точек, полученных с помощью программы анализа изображений, на один состав. Результаты анализа показаны на рис. 3. Представленный метод проверки показал большое различие между флюсами и однородностью распределения при подаче, которая контролировалась для всех циклов (то есть измерялись площадь и окружность всех полученных капель, что иллюстрировало то, как ведет себя флюс в начале и в конце подачи). Кроме того, проверка показала также различные результаты по появлению и распределению брызг у разных флюсов. Флюсы № 1, 2, 3 и 4 показывают наилучшее распределение при подаче и были выбраны для дальнейшей оценки их поведения во время пайки.

Рис. 3. Результаты теста на распрыскивание флюса для 15 экспериментальных составов. Статистический анализ проводился для 500 контрольных точек на 1 состав, полученных с помощью программы анализа изображений

Поведение во время пайки

Оценка поведения выполнялась на установке для селективной пайки Ersa (рис. 4), с использованием плат, состоящих из четырех слоев меди (1/2/2/1 унций) и подложки из FR‑4 толщиной 93 мил, с нанесенной на чистую неизолированную медь паяльной маской (SMOBC) и финишным органическим защитным покрытием (OSP). Данные платы были заполнены корпусами с двухрядным расположением 16 штыревых выводов (DIP) с чипами интегральной схемы и разъемами Eurocard с 96 контактными штырями (рис. 5).

Рис. 4. Схема работы установки для селективной пайки

Рис. 5. Плата для тестирования пайки

Для того чтобы определить поведение флюса во время пайки, использовался эксперимент L16 по методу Тагучи, его характеристики представлены в таблице 2. Наблюдаемые параметры (факторы отклика): распределение флюса (измерение площади), процент заполнения отверстия (оценивается с помощью рентгеновского анализа) и количество образовавшихся перемычек и шариков припоя (визуальный подсчет). Статистический анализ результатов представлен на рис. 6. Показаны только основные эффекты, второстепенные эффекты были признаны статистически незначительными.

Рис. 6. Результаты поведения флюсов при пайке. Изображение основного эффекта (средние значения):
а) распределение флюса;
б) заполнение отверстий;
в) перемычки припоя;
г) шарики припоя

Фиксированные параметры: ванна припоя +290 °C; припой SAC 305; форсунка для подачи припоя 10ID/14OD, смачиваемая.

Все флюсы показали практически одинаковые результаты распределения, но только один параметр значительно отличался — объем флюса. Способность к заполнению отверстий сравнительно одинакова для всех составов, однако на величину температуры предварительного нагрева платы следует обратить внимание. Полученные результаты — это хорошее подтверждение наших теоретических предположений. В точечных процессах селективной пайки время предварительного нагрева относительно велико, и это может стать причиной ухудшения термостойкости активирующих веществ. Эксперимент показал, что наилучшее поведение всех флюсов наблюдается при температуре предварительного нагревания, равной +110 °C. Наибольшие недостатки флюса были выявлены при изучении дефектов, появившихся при пайке. Флюс № 1 очевидно выделяется среди остальных трех флюсов, он имеет минимальное количество недостатков. Сильное влияние предварительного нагрева платы на появление дефектов подтверждает первоначальные предположения по термостойкости активирующих веществ.

Заключение

Разработка высокопроизводительных флюсов для применения в процессах селективной пайки и получения хороших результатов требует сочетания нескольких факторов: состава флюса, параметров процесса и используемого оборудования, что означает необходимость сотрудничества разработчиков флюсов и производителей оборудования. Флюс должен быть надежным (иметь способность противостоять коррозии или электрохимической миграции) и хорошо работать в разных условиях нагрева, в том числе когда флюс частично активирован с помощью активирующего вещества.

После отбора ряда составов, удовлетворяющих этим требованиям, был проведен статистический эксперимент с использованием промышленных установок селективной пайки, который выявил связь между характеристиками флюса и процессом селективной пайки. Было рассмотрено несколько параметров, описывающих поведение флюса: совместимость с устройством подачи флюса (закупорка, частота очистки, наличие брызг), качество распределения по плате (в реальных условиях работы, с разными типами резиста для платы) и качество пайки (процесс нанесения флюса, термостойкость), которое оценивалось измерением заполняемости отверстий и подсчетом возникающих дефектов.