Методы предотвращения неполного слияния частиц паяльной пасты

Свойства флюса во многом определяют качество паяных соединений элементов поверхностного монтажа. Помимо химического состава имеют значение такие параметры, как размер частиц припоя, количество припоя в соединении, профиль оплавления. Если пайка производится при неправильных условиях, соединение будет содержать большое количество дефектов: плохое смачивание, шарики припоя, пустоты и неполное слияние частиц паяльной пасты.
Среди перечисленных дефектов наиболее часто встречается неполное слияние, особенно если речь идет о пайке миниатюрных элементов, таких как 0201 или 01005. Этот дефект в иностранной литературе иногда называют «грозди винограда». В процессе оплавления припой разбрызгивается, рядом с соединением остаются шарики из припоя, которые не полностью сливаются с основной массой. В результате поверхность паяного соединения имеет бугристый вид и напоминает грозди винограда. Бугристость может ухудшить паяные соединения миниатюрных элементов (особенно CSP). При этом причину неисправности в таком случае обнаружить достаточно сложно.
Как показывает анализ поперечного сечения паяного соединения с бугристой поверхностью, в большинстве случаев оно имеет нормальную электрическую и механическую целостность.
Тем не менее данный эффект нежелателен по крайней мере по двум причинам. Во-первых, бугристая поверхность не внушает доверия пользователю, поскольку соединение на вид имеет низкое качество. Во-вторых оборудование автоматического визуального контроля реагирует на него и считает такие соединения заведомо плохими. Соответственно, в процессе изготовления будет возникать много остановок, сбоев и переработок, что в конечном счете снизит продуктивность. Чем больше бугристых соединений на плате, тем значительнее будет это снижение.
Иногда неполное слияние происходит не на поверхности, а внутри припойной массы. Этот тип дефектов можно будет устранить тем же способом, что и поверхностные. В настоящее время данная проблема не решена.
Для ослабления или устранения бугристости необходимо определить причину ее возникновения. Некоторые механизмы, влияющие на частоту появления бугристости, приведены в таблице 1.
Исследования этого эффекта ведутся не только в лабораториях, но и на различных производственных предприятиях. Было получено, что бугристость уменьшается или исключается путем регулирования параметров технологического процесса.
Здесь следует отметить, что решение проблемы ищется не так активно, как хотелось бы. Отчасти это обусловлено сложностью фиксирования и количественного описания дефекта. Кроме того, до сих пор нет согласия по вопросу приемлемой степени бугристости поверхности соединения и допустимой частоты появления этого дефекта в массовых партиях.

На рисунке 1 показано два паяных соединения: с бугорками и без. Дефект четко виден. Он встречается очень часто, особенно при пайке миниатюрных компонентов.
Поперечный разрез соединения с бугорками приведен на рисунке 2. Видно, что несмотря на небольшое количество горошин, которые не слились с общей массой, основная часть соединения и внутренняя область металлического проводника имеют характеристики, близкие к идеальным, что еще раз подтверждает тот факт, что бугорки не обязательно свидетельствуют о некачественности соединения в электрическом или механическом плане.

Рис. 1. Соединение с дефектом (слева) и без него (справа)

С точки зрения фундаментальной науки бугорки образуются из-за окисления пасты на поверхности печатного соединения. Пленка окисла препятствует слиянию внешних частиц пасты при оплавлении. Эффект затрагивает только те участки, которые контактируют с кислородом из нагнетателя печи, поэтому на малых соединениях он проявляется сильнее. Пусть имеется трафарет толщиной 5 мил с квадратными апертурами. Очевидно, что при увеличении ширины апертуры поверхность печатного соединения также увеличивается. При этом важно помнить, что количество флюса составляет 50% паяльной пасты. На рисунке 3 видно, что по мере увеличения ширины апертуры количество флюса увеличивается быстрее, чем площадь поверхности. Другими словами более широкие соединения содержат больше флюса, что предотвращает окисление поверхности.

Рис. 2. Поперечный разрез дефектного соединения

Рис. 3. Зависимость количества флюса и площади поверхности соединения от ширины апертуры

Важно также заметить, что флюс внутри паяльной пасты предотвращает окисление выводов компонента и контактной площадки. Чем сильнее они окислены, тем меньше остается флюса для удаления оксида с поверхности частиц припоя.
Изменяя профиль оплавления и длительность отдельных его участков, было обнаружено, что более быстрое увеличение температуры до пиковой уменьшает частоту появления бугристости. При этом значение максимальной температуры остается прежним. Логично предположить, что устранить дефект можно путем сокращения времени нагрева до точки термодинамического равновесия при одновременном увеличении эффективности переноса паяльной пасты.
Из наблюдений, приведенных выше, становится понятно, что в основе образования бугорков лежат следующие явления:
1. Когда припоя в соединении много, флюс может выдержать длительный нагрев, поскольку отношение площади поверхности к общему количеству флюса мало.
2. В отсутствие компонента флюс остается внутри припоя и процесс оплавления идет правильно, даже если количество припоя в соединении мало.
3. Если компонент установлен, флюс внутри пасты расходуется на удаление оксида с выводов или контактов.
Тот факт, что бугристость встречается реже при укороченном профиле оплавления подкрепляет наши предположения. Кроме того, чем меньше компонент, тем меньше требуется пасты, тем меньше может возникнуть бугорков. В то же время укорочение профиля может привести к появлению пустот [1].
Наконец, компоненты BGA и большие конденсаторы менее подвержены данному дефекту. Причем в отсутствие компонента не наблюдается бугристости, даже когда количество припоя в соединении такое же, как для пассивных устройств 0201. Стоит заметить, что в соединениях с буграми встречается немного больше минипустот, чем в соединениях правильной формы. Мини-пустоты могут быть обусловлены неполным слиянием частиц внутри паяного соединения.

Трафаретная печать

Исследование печатных соединений, выполненных с разными размерами апертуры показывает, что чем шире апертура, тем меньше возникает бугорков. В данном исследовании для нанесения паяльной пасты на тестовую плату с контактными площадками и апертурами различных размеров был использован лазерный трафарет толщиной 5 мил. На рисунке 4 показаны результаты для двух типов пасты. Видно, что чем больше контактная площадка, тем реже встречается дефект поверхности. Размер апертур совпадал с размером площадок. Всего было выполнено 24 соединения с медленным профилем оплавления 0,6°С/с. Эти данные позволяют оценить справедливость гипотезы о том, что бугристость поверхности зависит от отношения площади поверхности к количеству флюса.

Рис. 4. Частота возникновения поверхностных дефектов в зависимости от размера апертуры для двух паст

Помимо размера апертуры ключевую роль может играть эффективность переноса пасты. Возьмем два трафарета с апертурой 10×10 мил и толщиной один 5 мил, другой 4 мил. Осаждение с более толстого трафарета должно иметь более высокий потенциал слияния (количество флюса/площадь поверхности). Из рисунка 5 видно, что это отношение для трафарета толщиной 4 мил всегда меньше. Таким образом, можно предположить, что при использовании более толстого трафарета можно избавиться от бугристости. Однако экспериментальные данные показывают, что это не так.

Рис. 5. Потенциал слияния пасты для трафаретов разной толщины в зависимости от ширины апертуры

На рисунке 6 показаны результаты тестирования двух паст. Лучшие результаты получены при использовании более тонкого трафарета. Вероятно, дело в эффективности переноса. Хотя более толстый трафарет теоретически имеет большую емкость, фактически на печатную плату попадает мало припоя из-за прилипания пасты к углам и стенкам апертуры. Засорение трафарета имеет еще одно негативное последствие — неправильный контур припойной массы и увеличение площади поверхности за счет неровностей.

Рис. 6. Количество дефектов для двух паяльных паст при различной толщине трафарета

Очевидно, для компонентов 0201 и 01005 оптимальный размер апертуры меньше, чем для больших компонентов и контактных площадок для ИС в корпусах QFP, BGA и даже компонентов с малым шагом выводов. Эти апертуры показывают самую маленькую отношение площади и, соответственно, самую низкую эффективность переноса пасты. Одно из возможных решений — установить максимально допустимый с практической точки зрения размер апертуры для компонентов 0201 и 01005 (т.е. недостаточный для появления другого типа дефектов — мостов). В качестве альтернативы можно, наоборот, уменьшить толщину трафарета, чтобы соотношение площади вновь не превышало рекомендуемый IPC предел 0,66. Однако необходимо иметь в виду естественные ограничения: слишком тонкий трафарет может не подойти для печати более крупных компонентов, для которых требуется сравнительно много припоя, чтобы выдерживать механические напряжения.
Эффективное решение для плат, содержащих различные по размеру компоненты, могут дать ступенчатые трафареты. Однако это не всегда оправдано с практической точки зрения. Например в портативных устройствах компоненты располагаются очень близко, поэтому ступенчатые трафареты применять нельзя.

Итак, два главных фактора, влияющих на появление бугристости, это окисление поверхности и количество флюса. Окисление при высоких температурах идет очень быстро, поэтому чем дольше плата находится в печи перед оплавлением, тем больше металлических поверхностей (контактных площадок, выводов, частиц припоя) будет окислено. Соответственно, для очищения поверхности потребуется больше флюса.
Бугристость может быть исключена или уменьшена путем изменения профиля оплавления. В частности температура может быть поднята до максимального значения сразу, без долгого предварительного замачивания. Например, если при увеличении температуры в течении пяти минут поверхность содержит дефекты, то при прогреве за 3,5 минуты их может не быть. Параметры подбираются экспериментально. На рисунке 7 видно, что для всех протестированных типов паяльной пасты при ускорении прогрева эффект бугристости ослабевал.
Тем не менее есть ряд причин, по которым технологи стараются увеличить время замачивания, особенно при работе с бессвинцовыми материалами. Главная причина — заключается в том, что при долгом замачивании уменьшается количество летучих соединений. Компоненты флюса испаряются при температуре выше температуры плавления припоя, что может привести к появлению пустот внутри паяного соединения. На практике часто время замачивания делают как можно большим, чтобы пустот было как можно меньше.

Рис. 7. Количество дефектов при различной скорости прогрева для нескольких типов паст

В сборках с компонентами 0201 и 01005, паяные соединения которых наиболее часто имеют бугристую поверхность, обычно присутствуют компоненты CSP, устанавливающиеся в отверстия via-in-pad (заполненные компаундом и металлизированные сверху). Подобрать для них правильный профиль оплавления — непростая задача с учетом дальнейшей оптимизации в целях предупреждения образования пустот и бугристости поверхности.
Существует предположение, что бугристость припойной массы может возникать из-за высокой скорости воздушного потока в печи. При быст­рой подаче воздуха обеспечивается хорошая теплопередача и минимальный градиент распределения температуры на печатной плате. В то же время увеличивается скорость окисления контактных площадок, выводов и припоя. Это предположение необходимо проверить экспериментально, чтобы оценить, насколько силен этот эффект. Главная задача — найти такую скорость потока, при которой не возникает бугорков и в то же время обеспечивается достаточная конвекция.
Оплавление в азоте может уменьшить эффект бугристости, поскольку на стадии предварительного нагрева и замачивания окисление идет медленнее. Однако этот способ дороже и характеризуется большей вероятностью вздыбливания пассивных компонентов («эффект надгробного камня») [2].
Еще один аспект, о котором нельзя забывать — это свобода действий технолога при оптимизации профиля оплавления. Она обязательна должна быть обеспечена по ряду причин, в т.ч. ввиду необходимости припаивать разные по размеру компоненты, либо для повышения выхода годных изделий при работе с многослойными платами с высокой теплоемкостью, либо при изготовлении сборок с установленным теплоотводом. В таких случаях технологам требуется не один, а несколько приемов, чтобы эффективно бороться с бугристостью соединений.
Нужны более универсальные решения для оптимизации процессов печати и оплавления не только в отношении предупреждения бугристости, но и для избавления от целого ряда дефектов печатной платы начиная от трещин в припое и кончая сжиганием компонентов или другими разрушениями, вызванными перегревом. Это может быть вскипание электролита в конденсаторах, приводящее к увеличению эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) и сокращению срока службы, либо разрушение компонентов в плас­тиковом корпусе (например, проводов).

Использование самых передовых методов обработки печатной платы позволяет снизить вероятность образования бугорков. Поскольку окисление компонентов и печатной платы способствует появлению данного дефекта, необходимо изучить условия хранения и давность изготовления материалов. От этого может зависеть качество пайки.
Также важно следить за условиями хранения и использования паяльной пасты. Например, под воздействием высоких температур паста со временем становится более вязкой и теряет активность, что приводит к низкому качеству паяного соединения. Соответственно, неправильные условия ее хранения также могут способствовать появлению бугорков на поверхности соединения.
Как мы говорили раньше, процесс печати имеет высокое значение. Помимо уже упомянутых факторов есть и другие: к пасте, которую планируется использовать, следует применить методы DOE (статистическое экспериментальное проектирование), чтобы выявить структуру, обеспечивающую самую высокую эффективность переноса. Для наглядности на рисунке 8 показаны примерные результаты этого анализа. По ним можно оценить эффективность переноса в зависимости от скорости печати и размера апертуры. Видно, что для небольших соединений из этой пасты предпочтительны более низкие скорости печати. Другой параметр, о котором часто забывают, это скорость разделения, с которой плата отрывается от трафарета. Для маленьких апертур, как правило, используется быстрое разделение, однако провести DOE для конкретной пасты все же желательно.

Рис. 8. Доля отделившейся пасты при удалении трафарета в зависимости от размера апертуры и скорости печати

Важнейшее значение имеет выбор материалов. Процесс изготовления показывает, что бугристость паяного соединения уменьшается при использовании пасты с улучшенными антиоксидантными свойствами. В [1] отмечается, что при поиске способа предупреждения бугристости, который обеспечивает высокий коэффициент переноса пасты и минимальные изменения объема, важно помнить, что антиоксидантные свойства и способность к печати — противоречивые характеристики припоя. Паяльные пасты с более высоким содержанием канифоли и других примесей защищают частицы припоя лучше, однако ухудшают деформационные свойства материала и требуют нарушения непрерывности печати (sacrifice print consistency and response to pause printing).  

На основе экспериментальных результатов, некоторые из которых были приведены выше, можно начинать собирать набор инструментов для создания оптимального решения. Профиль оплавления должен быть универсальным, поскольку впоследствии провести повторную оптимизацию может быть затруднительно. В частности если отказаться от длительного вымачивания, могут образоваться другие дефекты, такие как пустоты.
Ключом к предотвращению появления бугорков может стать подбор параметров трафарета, размеров апертуры и параметров технологического процесса. В результате оптимизации этих аспектов должна повыситься эффективность переноса пасты, чтобы обеспечить максимально высокое количество флюса на единицу площади поверхности паяльной пасты.
Ниже приведены рекомендации по предупреждению образования бугорков при применении паст с размером частиц 4 и менее.
– Размеры апертуры должны быть максимальными, насколько позволяют правила изготовления трафарета, чтобы масса припоя была как можно большей.
– Следует подбирать оптимальный профиль апертуры, чтобы припой не прилипал к стенкам (например, трапециевидная апертура).
– Использовать трафареты с электроформами и электрополировкой.
– Установить максимально высокую скорость разделения, чтобы масса отделилась полностью.
– Вносить небольшие изменения в процесс оплавления. Например, устанавливать минимальное время вымачивания, при котором еще не образуются пустоты.  

Сравнительно легко получить паяльную пасту с улучшенными антиоксидантными свойствами, предотвращающую образование бугорков. С другой стороны антиоксидантные свойства ухудшают способность к печати. Компания Indium взялась за разработку паяльной пасты, которая сочетает в себе эти два противоречивых свойства.
Несмотря на остроту проблемы, до сих пор не установлено четкого и ясного определения бугристости поверхности соединения, поэтому говорить о каких-либо решениях еще рано.