Пайка безсвинцевої припоями, запобігання дефектів при пайку безсвинцевої припоями

Запобігання дефектів при пайку безсвинцевої припоями

Сплав Sn / Ag / Cu (олово / срібло / мідь, або інакше SAC-сплав) найбільш часто використовують в якості безсвинцевого припою, хоча можливе застосування і інших сплавів, що містять, наприклад, вісмут, індій та інші елементи. При переході до припою на основі SAC-сплавів спостерігається збільшення числа дефектів пайки. Це результат неправильного вибору параметрів процесу пайки. При правильно обраних параметрах і належному контролі процесу пайки число дефектів практично порівнянно.

Олов'яно-свинцеві і безсвинцеві припої мають наступні основні відмінності:
• різні температури плавлення припоїв, поверхневий натяг, здатність до окислення і вилуговування
• в безсвинцевим припоях вище температурний профіль пайки
• для безсвинцевим припоев необхідно безсвинцевої покриття висновків компонента і майданчиків плати
• різні швидкості змочування і розтікання припою
• при використанні безсвинцевим припоев знижена здатність до вирівнювання положення компонентів.
Температура плавлення SAC-сплавів становить 217-220 ° С, що більш ніж на 30 ° С вище, ніж олов'яно-свинцевих сплавів. Тому при пайку слід забезпечити їх нагрівання до 235? 245 ° С. При пайку друкованих плат з компонентами, які мають приблизно однакову теплоємність, температура пайки може бути знижена до 229 ° С.
Для пайки безсвинцевої припоями необхідно застосовувати флюси, спеціально розроблені для використання при більш високих температурах.
Флюс займає приблизно половину обсягу паяльної пасти і визначає її реологічні властивості, осадку, клейкість і ін.
Основним призначенням флюсу є запобігання спаюється поверхонь від окислення при дії високої температури пайки. Флюс покращує змочування їх припоєм, сприяючи розтіканню його по майданчиках плати і висновків компонентів. Після пайки залишки флюсу видаляють, змиваючи їх, або залишають на платі, якщо використовувалася паста, яка не потребує очищення.

Основні складові флюсу:
• каніфоль
• активатори, органічні кислоти і / або гідрогалоіди
• розчинники
• гелеобразующіе речовини
• поверхнево активні речовини
• хелатні добавки.

Оптимізація складу флюсу, придатного для застосування при більш високих температурах пайки, необхідних для безсвинцевим припоев, є основним завданням виробників паяльних паст. Основні складові флюсу є органічні сполуки, які повинні зберігати стабільність при температурі близько 245 ° С, щоб запобігти появі проблем при пайку.

Найбільш часто зустрічаються дефекти пайки:
• утворення містків припою між майданчиками
• освіту кульок припою між майданчиками
• недостатня смачиваемость спаюється поверхонь
• утворення пустот в паяних з'єднань
• відрив виведення компонента від майданчика (ефект "надгробки")
• відсутність змочування.

Освіта містків і кульок припою
Ці дефекти виникають при неправильному виборі параметрів пайки. При підвищеній температурі в зоні попереднього нагріву слід вибирати пасту з малим осіданням. Особливо важливо враховувати це при пайку компонентів з малим кроком висновків. Звичайні пасти на основі олов'яно-свинцевих сплавів при високій температурі (близько 185 ° С) починають плавитися і розтікатися з? За розкладання їх гелеобразующіх компонентів. На рис. 1 показано "поведінку" паст, що мають різну осадку. Як видно з малюнка, паста "В" має меншу осадку, ніж паста "А", а, отже, меншу ймовірність утворення містків і кульок припою.

Мал. 1. Два зразка паяльних паст, оплавлених при температурі 180 ° С

Недостатня смачиваемость висновків компонентів і майданчиків плати
При випробуванні на паяемости було помічено, що змочуються здатність SAC-припоев поліпшується з використанням водосмиваемих флюсів. Флюси, які не потребують відмивання, містять менше активаторів і не містять галоідов, внаслідок чого здатність змочування знижується.
Після впливу декількох температурних циклів пайки на майданчики друкованих плат, захищені лише органічними покриттями (т. Зв. OSP-плат), число випадків неповного їх змочування припоєм зростає. Покриття майданчиків оловом або іммерсійним сріблом сприяє кращому розтіканню припою. Добре паяется також покриття Ni / Au при відсутності в ньому оксидів. На рис. 2 показані приклади пайки SAC? Припоями висновків мікросхем на майданчики з чистої міді і майданчики, покриті іммерсійним сріблом.

Мал. 2. Пайка висновків корпусів QFP із застосуванням SAC-сплавів на майданчики з чистої міді (а) і майданчики, покриті іммерсійним сріблом (б)

Погана паяемости, недостатня смачиваемость, погана розтікання припою і великі кути контакту між майданчиками і висновками можуть також бути наслідком неправильно обраного профілю пайки. Дуже важливо досягти рівномірного розподілу температури по всій площі плати, так як допустимий інтервал пікових температур безсвинцевим припоев вужчий, ніж олов'яно-свинцевих. Корпуси BGA під час пайки поводяться як тепловідводи, з? Через що паста під ними може не розплавитися повністю, в той час як більш дрібні компоненти можуть бути припаяні досить добре. Тому необхідно правильно визначити профіль пайки, а після її виконання проконтролювати якість з'єднань з використанням рентгенівських або оптичних методів.
На рис. 3 показані висновки корпусу BGA, що не припаяні до плати з? За недостатнього нагріву. Для визначення причини цього дефекту необхідно виміряти температуру безпосередньо в місцях контакту цих висновків з майданчиком, як показано на рис. 4.
На рис. 5 показаний результат пайки висновків при дуже високій температурі (понад 265 ° С), а на рис. 6 - при параметрах пайки, близьких до оптимальних.

Мал. 3. Дефект пайки, викликаний недостатнім нагріванням

Мал. 4. Вимірювання температури висновків корпусу BGA на контрольній друкованій платі для визначення необхідного профілю пайки

Мал. 5. Результат надмірного нагріву виведення

Мал. 6. Пайка з профілем, близьким до оптимального

Основні причини погіршення змочуючих властивостей безсвинцевим припоев:
• мала активність флюсу паяльної пасти
• занадто висока температура в зоні прогріву або велика тривалість її впливу
• мінімальна тривалість нагріву місця пайки вище температури плавлення припою
• наявність оксидів на спаюється поверхнях.

Активність безсвинцевим паст повинна зберігатися аж до температури плавлення SAC-сплавів (217 ° С). Що міститься в пасті флюс повинен ефективно захищати плату і компоненти від окислення. Здатність SAC-сплавів змочувати металеві поверхні відносно невелика, тому для кращого розтікання припою під час пайки необхідно, щоб час впливу температур, що перевищують температуру плавлення, було достатнім. Зазвичай цей час становить 60? 90 с при температурі пайки 235-245 ° С.
Наявність оксидів на платі можна виявити, провівши один з тестів на паяемости, наприклад, виконання балансу змочування.

Порожнечі в безсвинцевим з'єднаннях і висновках BGA
При наявності великої кількості пустот в паяних з'єднань знижується його надійність, що найбільш часто проявляється при експлуатації виробів в умовах великого перепаду температур, вібрацій або впливу згинаючих зусиль. Порожнечі є також причиною погіршення тепло- і електропровідності сполук (рис. 7).
Якщо сумарний обсяг пустот не перевищує 25% обсягу з'єднання, їх вплив на надійність незначно. Вони можуть навіть грати роль амортизаторів механічних навантажень.

Мал. 7. Порожнечі, що виникли при пайку висновків корпусів QFP (a) і BGA (б)

Поява порожнеч можуть викликати такі чинники:
• склад паяльної пасти
• поверхневий натяг припою
• профіль пайки
• наявність оксидів на спаюється поверхнях
• форма висновків компонентів і паяного з'єднання
• склад покриття майданчиків плати і висновків компонентів
• виділення газу з корпуса компонента під час пайки.

Поверхневий натяг безсвинцевим припоев вище, ніж олов'яно-свинцевих. Тому необхідно вибирати пасту такого складу, щоб міститься в ній флюс не втрачав активності при високих температурах пайки. Для зменшення числа пустот в першу чергу слід вибирати пасту, яка містить каніфолі, а також активаторів, що розкладаються при впливі підвищених температур.
Видалення бульбашок газу з припою сприяє також оптимізація профілю пайки, яка полягає в збільшенні тривалості перебування паяного з'єднання в зоні прогріву, а також в зоні температур, що перевищують температуру плавлення припою. Необхідно також стежити за тим, щоб плата і компоненти були вільні від вологи і забруднень. Помічено, що на OSP-платах утворюється трохи більше порожнеч, ніж на платах, покритих сплавом Ni / Au або іммерсійним сріблом.
У деяких випадках на кількість пустот впливає і форма паяного з'єднання. Якщо розміри і форма компонентів перешкоджають виходу бульбашок газу, число порожнеч збільшується.

Підйом одного з висновків компонента над платою (ефект "надгробки")
При пайку малогабаритних компонентів безсвинцевої припоями зростає число випадків підйому над платою одного з висновків компонента (ефект "надгробки"). Це пояснюється, зокрема, меншою смачивающей здатністю цих припоїв. Тому необхідно позиціонувати компоненти на платі з досить високою точністю, так як вирівнюючий ефект в безсвинцевим пастах виявляється слабше. Припій SAC305 забезпечує меншу ймовірність утворення "надгробки". Його склад: 96.5% олова, 3% срібла і 0.5% міді, температура плавлення 217-220 ° С. Під час початкової фази плавлення цей припой утримує компоненти, як би приклеюючи їх до плати, в результаті чого число "надгробків" зменшується.
Застосування паяльної пасти з підвищеним газовиділенням в початковій фазі плавлення припою також може бути причиною утворення "надгробків".

відсутність змочування
Основна причина відсутності змочування - мала активність флюсу. У початковій стадії пайки розплавленийприпой покриває всю площадку. Однак, якщо через малу активності флюсу освіту інтерметалічного з'єднання неможливо, сили зчеплення між припоєм і майданчиком малі, в результаті чого через поверхневого натягу припій збирається в краплю.
З використанням водосмиваемих паст відсутність змочування проявляється досить рідко завдяки тому, що активність їх флюсу вельми висока. У менш активних пастах серії ROLO, а також в які не потребують відмивання пастах, що не містять галогенідів, відсутність змочування проявляється при пайку майданчиків, покритих органічними сполуками або сплавом Ni / Au при наявності на ньому окислів нікелю або забруднень. На рис. 8 наведені фотографії майданчиків з оплавленої пастою; на рис. 8, а явно видно відсутність змочування.

Мал. 8. Приклади різного змочування майданчиків безсвинцевим припоєм: відсутність змочування (а) і задовільний змочування (б)

Для забезпечення змочування необхідно:
• охороняти спаюється поверхні від окислення
• вибирати флюс, відповідний споюють металів
• зменшувати температуру і тривалість прогріву для збереження активності флюсу.

Зовнішній вигляд безсвинцевим з'єднань
Поверхня безсвинцевим з'єднань більш матова, ніж оловянно? Свинцевих, а жолобник через меншу плинності безсвинцевим сплавів має іншу форму (рис. 9). Це не повинно розглядатися як дефект пайки.

Мал. 9. Вид з'єднань після пайки в повітряному середовищі олов'яно-свинцевим (а) і безсвинцевим (б) припоєм

Після оплавлення в повітряному середовищі SAC-припої мають більш темний вигляд. На їх поверхні утворюється мережа дрібних тріщин, що виникають внаслідок утворення інтерметалевих з'єднань, а також окислення. В азотному середовищі утворюється більш блискуче з'єднання з хорошим розтікання по споюють поверхонь.
Зменшення тривалості впливу температур, що перевищують температуру плавлення припою, уповільнює зростання інтерметалічних сполук, в результаті з'єднання набуває більш світлий вигляд.
На закінчення можна відзначити, що перехід до застосування безсвинцевим припоев вимагає певного часу, необхідного для отримання навичок поводження з ними як при пайку, так і оцінці якості паяних з'єднань.