Відмінність безсвинцевої технології від стандартного процесу
Якщо говорити про принципові моменти, то безсвинцевим пайка практично нічим, крім температури, не відрізняється від традиційної Sn / Pb-технології. Однак можуть знадобитися деякі зміни на певних операціях техпроцесу. Так, наприклад, нові типи припоїв і флюсів можуть вплинути на характеристики припойними пасти. Можуть змінитися такі властивості паст, як термін служби і зберігання, плинність, що потребують зміни конструкції ракеля і режимів оплавлення.
При впливі підвищеної температури пайки може статися корпусів мікросхеми, розтріскування кристалів, порушення функціонування схем. Схожі ефекти виникають і в друкованих платах. Під дією температури відбувається розшарування підстави, погіршується площинність, що негативно позначається на точності установки ІС, особливо в корпусах великих розмірів.
Для оцінки впливу підвищеної температури і більш тривалого часу пайки потрібно переатестація існуючої технології пайки. Такі дослідження сьогодні проводяться SEMI і JEDEC.
Що стосується оплавлення, то вплив безсвинцевої пайки неоднаково на різних стадіях процесу. Всі основні зміни пов'язані, в першу чергу, з більш високою температурою пайки. Потрібно більш ретельний вибір компонентів і матеріалів підстави плати.
Інші проблеми стосуються охолодження пристрою і підтримки плати. Особливо чутливі до швидкості охолодження багатокомпонентні сплави, що містять більше двох металів. У таких припоях можуть утворюватися різні интерметаллические з'єднання в залежності від швидкості охолодження.
Дослідження стандартної технології монтажу на поверхню і пайки хвилею припою показали, що вибір сплаву впливають як економічні, так і технологічні чинники. Так, наприклад, сплави на основі індію досить дорогі, їх нераціонально використовувати для пайки хвилею, коли необхідно завантажувати в ванну велику кількість припою. Однак цей матеріал може бути з успіхом застосований для виготовлення висновків flip-chip-кристалів.
Технології всіх складових процесу виробництва постійно удосконалюються. Більшість питань пов'язаних з технологічним процесом пайки вже вирішені. Виробники призводять досить докладну інформацію по способу процесу пайки випускаються ними виробів на своїх сайтах в відповідних розділах.
В останні кілька років стрімко розвивався процес переходу до нового типу припоев - безсвинцевим припою. Родоначальниками в даній області вважаються японські виробники, які приділяють велику увагу охороні навколишнього середовища і прагнуть отримати нову безпечну і перспективну техніку збірки друкованих плат.
Основними причинами переходу до нового типу припоев (крім екологічної безпеки) є більш високі експлуатаційні характеристики таких припоїв. Однак існує ряд причин, за якими промислове застосування такого типу припоев досі обмежена. Справа в тому, що безсвинцевої тип припоїв має більш високу температуру пайки, що позначається на складності паяльного обладнання: доводиться витримувати більш вузьку кордон термопрофілю (рис. 1).
Обладнання повинно мати термодатчики розташовані по всій площі нагрівання друкованої плати і контролювати термопрофіль в режимі реального часу.
Підбір оптимального термопрофілю
При використанні безсвинцевим припойними паст різниця температур між ділянками плат з більшою масою і меншою повинна бути мінімальною. Це досягається правильно підібраним температурним профілем пайки. Зменшити різницю температур дозволяють наступні методи:
- Збільшення часу попереднього нагрівання. Цей метод дозволяє в значній мірі зменшити температурну різницю, однак при збільшенні часу попереднього нагрівання відбувається випаровування флюсу, що призводить до погіршення смачиваемости через окислення спаюється поверхонь.
- Збільшення температури попереднього нагрівання. Зазвичай температура попереднього нагрівання 140-160 ° С, однак для безсвинцевим припойними паст вона може бути збільшена до 170-190 ° С. Так як температура преднагрева підвищена, стрибок температур між етапом преднагрева і пайки буде менше ніж в звичайному термопрофіль, отже не буде такою помітної різниці температур різних ділянок друкованої плати, викликаної різною швидкістю нагріву. Недолік цього методу, як і попереднього, полягає в швидкому випаровуванні флюсу (ще на етапі попереднього нагрівання), що позначається на надійності пайки.
- Трапецієвидний термопрофіль (рис. 2).
Використовуючи таку форму термопрофілю сучасні печі оплавлення дозволяють зменшити температурну різницю між 45 мм BGA і корпусом SO мікросхеми до 8 ° С, що вважається прийнятним.
Основні типи безсвинцевим припоев
Існує 5 основних груп безсвинцевим припоев:
- SnCu Медьсодержащие евтектичних припои спочатку створювалися для пайки друкованих плат хвилею припою. Недоліком цього типу є висока температура розплавлення і гірші механічні властивості в порівнянні з іншими безсвинцевої припоями.
- Малий час зберігання припойними пасти
- Необхідність використання активних флюсів
- Надмірне шлакування і оксидування
- Потенційні проблеми корозії при складанні
Використання такого типу припоев рекомендується для пайки в середовищі захисного газу.
Сьогодні видано безліч патентів на сплави різних складів для заміни свинцевих припоїв. Не всі сплави комерційні, але вибір досить широкий. В даний час складно відповісти на питання, який сплав найкращий, проте вибір вже є. Сплави відрізняються як по температурі плавлення, так і по смачиваемости, міцності, вартості. Кожен припій володіє унікальним поєднанням властивостей.
При перекладі виробів на безсвинцевої пайку доводиться враховувати цілий ряд факторів. Припої підбирають, виходячи з особливостей конструкції пристрою, топології друкованої плати, механічних і електричних характеристик блоку, умов його експлуатації. При виборі враховують також температуру плавлення припою, надійність паяних з'єднань, стійкість монтованих компонентів до температури пайки, відмінності режимів при пайку оплавленням і хвилею припою.
Основний критерій при виборі припою - це температура плавлення. Всі припої за цією ознакою можна розділити на чотири групи: низькотемпературні (температура плавлення нижче 180 ° C), з температурою плавлення, яка дорівнює евтектиці Sn63 / Pb37 (180. 200 ° C), з середньою температурою плавлення (200 230 ° C) і високотемпературні (230. 350 ° C). Основні типи безсвинцевим припоев наведені в таблиці 1.
Низькотемпературні припої мають обмежене застосування. До їх складу входять, крім олова, вісмут і індій. Найпоширеніші евтектичних сплави - олово-вісмут і олово-індій. Важко очікувати, що сплави з низькою температурою плавлення забезпечать надійні паяні з'єднання при високих температурах експлуатації. Існують також обмеження на постачання індію і вісмуту, висока вартість припоев на їх основі.
Більшість среднетемпературних припоев для заміни свинцю - це складні за складом сплави на основі олова з додаванням міді, срібла, вісмуту і сурми. На жаль, жоден з них не може повністю замінити Sn63 / Pb37, у всіх сплавів вище температура плавлення. Найбільш близький за своїми властивостями припій Sn95,5 / Ag3,8 / Cu0,7 сьогодні використовується для пайки оплавленням при поверхневому монтажі.
Кращими властивостями володіють сплави Sn / Ag, у них більш висока змочуваність і міцність в порівнянні з Sn / Cu. Евтектичних сплав Sn96,5 / Ag3,5 з температурою плавлення 221 ° C при випробуваннях на термоціклірованіе показав більш високу надійність в порівнянні з Sn / Pb. Припій Sn96,5 / Ag3,5 багато років успішно застосовується в спеціальній апаратурі.
Евтектичних припій Sn95,5 / Ag3,8 / Cu0,7 був отриманий в результаті доопрацювання базового сплаву Sn / Ag. Кілька років тому цей сплав був невідомий, оскільки припій Sn / Ag / Cu мав нижчу точку плавлення (217 ° C) в порівнянні з Sn / Ag. Точний склад цього припою і раніше залишається предметом для обговорення. Sn / Ag / Cu може бути використаний для отримання як універсальних, так і високотемпературних припоїв.
Sn93,5 / Ag3,5 / Bi3 має нижчу температуру плавлення і більш високу надійність паяних з'єднань. Сплав має найкращу паяемости серед усіх безсвинцевим припоев. Додавання міді і / або германію до Sn / Ag / Bi значно підвищує змочуваність, а також міцність паяного з'єднання.
Припій Sn89 / Zn8 / Bi3 має температуру плавлення, близьку до евтектиці Sn / Pb, однак наявність в його складі цинку призводить до ряду проблем. Припойні пасти на цій основі мають короткий час життя, потрібно флюс підвищеної активності, при оплавленні утворюється труднорастворимая окалина, паяні з'єднання схильні до корозії, потрібна обов'язкова промивка з'єднань після пайки.
National Electronics Manufacturing Initiative (NEMI) рекомендує для пайки оплавленням сплав Sn3,9 / Ag0,6 / Cu, для пайки хвилею - менш дорогі припои Sn0,7 / Cu і Sn3,5 / Ag, оскільки в другому випадку потрібні великі обсяги припойними матеріалу . Такої ж думки дотримується і європейський консорціум IDEALS. В даний час ця організація зайнята вивченням сплаву Sn / Ag3,8 / Cu0,76, вважаючи його придатним як для оплавлення і пайки хвилею, так і для ремонтних робіт.
JEIPA пропонується три сплаву для заміни Sn / Pb - олово / срібло / мідь (Sn / Ag / Cu) і два сплаву на основі олово / срібло / вісмут (Sn / Ag / Bi). Інші виробники розглядають можливість використання декількох безсвинцевим припоев, включаючи Sn / Ag / Bi, кращий з яких визначиться в процесі промислових випробувань.
Сама остання інформація наводиться на сайтах виробників.
Результати проведених у багатьох країнах досліджень говорять про те, що на сьогоднішній день лідером в безсвинцевої гонці є сплави системи Sn / Ag / Cu. Можливо, через деякий час будуть знайдені і інші склади.
Безсвинцеві покриття і їх сумісність
Великі постачальники компонентів один за іншим анонсують свої продукти, що виводяться на ринок безсвинцевим виробів. Широкому поширенню безсвинцевим покриттів перешкоджала їх висока вартість. ST Assembly Test Services Ltd. (STATS) для покриття висновків ІС запропонувала використовувати чисте олово (Sn). Мета ініціативи STATS - надати замовникам екологічно чисті корпусу, що задовольняють стандартам якості по електричним, механічним параметрам і надійності. Альтернативними сплавами для кульок припою стали Sn / Ag і Sn / Ag / Cu.
Про сумісність покриттів
Використання безсвинцевим покриттів при виробництві друкованих плат не є якоюсь новиною. Промисловість протягом багатьох років застосовує сплави типу Ni / Au, Pd / Ni, Sn, Ag, Pd, імідазол (C3H4N2) і OSP. Сьогодні проблема полягає в тому, що для безсвинцевої технології потрібно вибрати один з них, але до цих пір неясно, на якому матеріалі зупинитися.
Проведені в NCMS дослідження показали, що смачиваемость чотирьох з п'яти безсвинцевим покриттів (імідазол, гарячий Sn, Pd / Ni і Pd) не витримує критики в порівнянні з евтектикой Sn / Pb. Найбільш перспективним покриттям для пайки міді безсвинцевої припоями визнаний імідазол. Покриття Sn, Pd і Au забезпечують хорошу змочуваність практично для всіх припоев, проте погано працюють з Sn58 / Bi по міді.
Перспективними для виробництва безсвинцевим друкованих плат вважаються також сплави системи Sn / Cu, близькі до Sn / Pb за своїми характеристиками. Однак більш висока температура процесу може викликати небажані ефекти. Після декількох циклів оплавлення і / або ремонту покриття втрачають свої захисні властивості.
Флюси * для пайки апаратури діляться на дві групи: активований - на основі каніфолі і поліефірних смол, і активовані. Каніфоль складається з суміші декількох слабких органічних кислот, основна з яких - абієтинова, растворяющая оксиди міді, але не впливає на чисту мідь. Разом з тим абіетінати міді не є корозійними продуктами. Каніфоль і поліефірні смоли, потрапляючи в діелектрик друкованої плати, не знижують його опір ізоляції.
* Флюси - матеріали, що застосовуються в металургійних процесах з метою освіти або регулювання складу шлаку, запобігання розплавлених металів від взаємодії із зовнішнім газовим середовищем, а також службовці для скріплення оксидів при пайку і зварюванні металів. При плавці і рафінуванні металів флюси вводять для отримання шлаків з заданими фізичними і хімічними властивостями (наприклад, для зниження тугоплавкости і в'язкості, зміни електропровідності), для ошлакования порожньої породи і золи палива, розчинення шкідливих домішок.
Розрізняють флюси основні (вапняк, доломіт, піритні недогарок, вапно, сода, які містять оксиди кальцію, магнію, заліза та ін. Металів), кислі (кварц, пісок, кремінь, що містять кремнезем) і нейтральні (глина, боксити, бій шамотного цегли , плавиковий шпат, що містять глинозем або фторид кальцію). Розплави кольорових металів і сплавів оберігають від окислення покривними або захисними флюси; для цієї мети застосовуються головним чином хлориди і фториди лужних і лужноземельних металів (кам'яна сіль, сильвініт, карналіт, кріоліт, бура, каніфоль). При пайку і зварюванні використовують каніфоль, буру, хлорид цинку, хлорид амонію, плавиковий шпат та ін. Флюси Для дугового електрозварювання розроблений ряд флюси, які попередньо переплавляють і обробляють, а зварювання ведуть безпосередньо під флюси
Користувачі флюси широко застосовуються для пайки виробів відповідального призначення і в якості консервантів покриттів, що зберігають паяемости друкованих плат в умовах тривалого складського зберігання.
В активованих флюсах, як це випливає з назви, присутні активатори - речовини, що підвищують флюси активність. Серед них - аміни, слабкі органічні кислоти і інші. Активатори, як правило, містять іони галогенів або активні залишки, що знижують опір ізоляції діелектриків. Тому активовані флюси і їх залишки слід ретельно відмивати. Їх рекомендується застосовувати при високопродуктивної механізованої пайку, пайку погано змочуються металів (наприклад, нікелю). До цієї групи належать також водорозчинні флюси, що не містять каніфолі.
Режим пайки хвилею при переході від Sn / Pb до безсвинцевим припою змінився незначно. У таких системах можуть бути використані колишні флюси. При безсвинцевої пайку хвилею більш кращі водорозчинні флюси. Температура безсвинцевої пайки трохи вище (приблизно на 30 ° C), що слід враховувати при виборі флюсу. Для високотемпературних припоїв використовуються флюси виключно на основі каніфолі.
Введений в припойними пасту флюс грає ту ж роль, що і при пайку компактним припоєм. Зазвичай в пасту вводять ті ж флюси, які використовуються і при звичайній пайку.
Очищення функціональних вузлів після пайки
Для досягнення високої якості відмивання потрібні різні розчинники. Залишки флюсу при безсвинцевої пайку відрізняються за складом від традиційних. Накопичений досвід свідчить, що при більш високій температурі складніше видаляти залишки флюсу з паяного з'єднання. Докладні відомості про результати випробувань різних миючих рідин при безсвинцевої пайку і точна інформація наводиться на сайтах виробників.