Первый герметик паяных соединений

Современные тенденции развития мировой электронной промышленности ведут к миниатюризации электронных изделий, что влечет за собой увеличение плотности монтажа, применение сложных компонентов и микросборок, а также уменьшение размеров самих электронных компонентов. Кроме того, согласно европейскому законодательству о запрете применения свинца, все больше предприятий внедряют бессвинцовую технологию пайки, а так же вынуждены осваивать смешанную пайку. В результате, возникают такие проблемы, как низкие показатели выхода годных изделий, слабая механическая прочность паяных соединений и плохие показатели прохождения тестов на термоциклирование. Особенно это касается компонентов с матричным расположением выводов (например BGA, CSP-компоненты), так как их конструкция слабо компенсирует механические напряжения. Для решения выше описанных проблем в технологический процесс внедряют различные виды дополнительных компенсационных материалов в виде различных подзаливок или проводят дополнительную фиксацию компонентов по углам. Однако эти методы не всегда позволяют добиться желаемого результата, а также увеличивают время технологического цикла.
Свое решение существующих проблем предложила компания YINCAE, которая создала первый в мире «герметик» паяных соединений SMT256 и SMT266, позволяющий производить герметизацию каждого вывода компонента по отдельности, что напрямую повышает надежность монтажа и исключает необходимость в дополнительной подзаливке.

Порядок выполняемых действий при работе с герметиком показан на рис. 1.

Рис. 1. Схематическое изображение порядка выполняемых действий

Следует заметить, что по сравнению с традиционным процессом подкомпонентной заливки использование герметика паяных соединений технологически является более простым, быстрым и высокопроизводительным процессом. Герметик SMT256 предназначен для массового производства и нанесения погружением, через трафарет или кистью. Герметик SMT266 предназначен, главным образом, для ремонта и нанесения точечным распылением, кистью или погружением. Процесс оплавления паяных соединений, обработанных герметиком, полностью совместим со стандартным профилем оплавления паяльной пасты. Во время оплавления герметики SMT256 и SMT266 удаляют окислы с поверхности контактных площадок и выводов, что улучшает формирование паяных соединений. При этом формируется полимерная пленка, обволакивающая каждый отдельный вывод, причем между выводами «герметик» не скапливается и не блокирует выхода газа из под компонента в процессе оплавления, что также способствует повышению качества монтажа изделия. Схематическое изображение действия герметиков SMT256 и SMT266 показано на рис. 2.

Рис. 2. Схематическое изображение полученного паяного соединения с использованием герметиков SMT256 и SMT266

Результат применения герметиков нашими заказчиками в течение нескольких лет показывает, что герметик SMT256 повышает выпуск годной продукции, способствует уменьшению пустот и трещин в паяных соединениях, устранению дефекта, известного как «голова на подушке». Аналогичные результаты были получены и для бессвинцового процесса пайки. Ниже приведен пример использования герметика SMT256 для компонентов BGA/CSP. Герметик наносится толщиной примерно 85-95% от высоты вывода. Остальные параметры процесса не отличаются от традиционного процесса работы с паяльной пастой. По завершении процесса сборки проводился функциональный тест, показавший 100% выпуск годной продукции. Результаты рентгеновского контроля показаны на рис. 3.

а)	б)
Рис. 3. Поперечное сечение смонтированного BGA с использованием (а) только паяльной пасты и (б) гер­ме­ти­ка SMT256 или SMT266

Хорошо известно, что пустоты в паяных соединениях образуются в условиях высокой температуры, высокого поверхностного натяжения бессвинцовых припоев и ограничений химии флюсов при высоких температурах (см. рис. 3а). При использовании герметиков SMT256 и SMT266 образование пустот в паяных соединениях не наблюдалось. Отсутствие пустот можно объяснить тем, что герметики SMT256 и SMT266 формируют защитный слой, который препятствует окислению во время оплавления припоя.
Также были проведены тесты на механическую прочность монтажа, этот показатель особенно важен для изделий 3-го класса надежности, которые в силу своей специфики эксплуатации, подвергаются различным вибромеханическим воздействиям. На рис. 4 приведено сравнение результатов испытаний на отрыв обычных паяных соединений с использованием подкомпонентной заливки (а) и паяных соединений с герметиком SMT256 (б).

а)	б)
Рис. 4. Сравнение результатов испытаний на отрыв обычных паяных соединений с использованием паяльной пасты и подзаливки (а) и паяных соединений с добавлением герметика SMT256 (б)

Как видно на рис. 4, максимальное значение силы испытаний на отрыв паяного соединения, сформированного с помощью паяльной пасты с последующей заливкой, составляет примерно 274 Н, в то время как максимальное значение силы на отрыв паяного соединения, сформированного с добавлением герметика SMT256, — 438 Н. Другими словами, при использовании герметика SMT256 прочность паяного соединения повышается в 1,5—2 раза по сравнению с паяным сведением, сформированным с использованием оплавления паяльной пасты с последующей подкомпонентной заливкой.

Для испытаний использовались компоненты компании Amkor, показанные на рис. 5.

Рис. 5. Компоненты компании Amkor, применявшиеся в ходе испытаний

На рис. 6 показаны изменения значений испытаний на отрыв в зависимости от глубины погружения выводов в герметик SMT256 и флюс. Глубина погружения указывается в процентном выражении от высоты шариковых выводов. При увеличении глубины погружения от 70% до 95% от высоты вывода, прочность паяных соединений увеличивается от 79 Н до 350 Н. Тем не менее, не рекомендуется погружать выводы в герметик более чем на 90%.

Рис. 6. Изменение прочности паяных соединений на отрыв в зависимости от изменения глубины погружения выводов в герметик

На рис. 6 можно увидеть, что прочность паяных соединений на отрыв не меняется при увеличении глубины погружения в обычный флюс-гель. Но самое важное то, что применение флюса приводит к большему разбросу данных прочности паяных соединений на отрыв, чем при использовании герметика SMT256. В таблице 1 приведены данные испытаний прочности паяных соединений на отрыв при глубине погружения выводов на 70%.

Из таблицы 1 видно, что данные испытаний паяных соединений на отрыв при погружении в герметик SMT256 не только лучше, но и их разброс меньше, чем у подобных испытаний паяных соединений на отрыв при погружении в обычный флюс. Это значит, что обработка выводов герметиком приведет к меньшему количеству брака. Самое интересное заключается в том, что стандартное отклонение близко к минимальному значению прочности на отрыв, полученному для выводов, погружаемых во флюс.
Условия проведения испытаний на прочность паяных соединений на удар: высота 182,88 см, бетонный пол, свободное падение.
Из рис. 7 видно, что паяные соединения с добавлением герметика SMT256 выдерживают до 200 падений, что сопоставимо с результатами прочности паяных соединений при использовании нетекучей подзаливки, и существенно лучше результатов прочности обычных паяных соединений. Данные испытаний на удар не противоречат данным испытаний на отрыв.

Рис. 7. Результаты испытаний прочности паяных соединений на удар при использовании герметика SMT256, нетекучей подзаливки, капиллярной заливки и только паяльной пасты

На рис. 8 показаны данные тестов на термоциклирование с различными дополнительными условиями. Условия проведения испытаний термоциклирования: длительность одного цикла — 1 час; температура от –55°C до 125°C с выдержкой в течение 15 минут при двух крайних температурах. Очень интересно заметить, что при испытании надежности паяных соединений с помощью термоциклирования паяные соединения с традиционной капиллярной заливкой продемонстрировали более или менее допустимые результаты, в то время как паяные соединения с добавлением герметика SMT256 или SMT266 — до 6000 циклов, что на 3000—5000 циклов больше, чем при использовании других технологий.

Рис. 8. Количество циклов до отказа: результаты теста на термоциклирование паяных соединений с герметиком SMT256, нетекучей подзаливкой, капиллярной заливкой, только паяльной пасты

Использовать герметики SMT256 и SMT266 для ремонта не сложнее, чем использовать обычную паяльную пасту. Плюсы использования герметиков суммированы в таблице 2.
Основные характеристики герметиков приведены в таблице 3.

Герметики SMT256/266 — современный продукт с доказанной способностью повышать качество паяных соединений. Особенно он будет интересен производителям электронной техники военного назначения, а также промышленной электроники с высокими требованиями к надежности. Паяные соединения с добавлением герметиков SMT256/266 отличаются меньшим количеством пустот, отличной смачиваемостью и отсутствием микротрещин. Герметики SMT256/266 полностью совестимы с традиционным процессом поверхностного монтажа, температурными профилями оплавления как для свинцовых, так и бессвинцовых режимов пайки, и прекрасно работают практически на всех видах покрытий контактных площадок таких как: Ni/Au, иммерсионное Ag, OSP.
Применение герметиков повышает прочность паяных соединений в 4—5 раз: испытания на удар продемонстрировали улучшение прочности в два раза, а тесты на термоциклирование — до 6000 циклов.
Основные преимущества герметиков SMT256 и SMT266:
– короткое время технологического процесса;
– повышение количества выхода годных изделий;
– повышение надежности изделий;
– сокращение производственных затрат;
– хорошая совместимость с процессом монтажа корпуса на корпус, монтажом компонентов с малым шагом выводов;
– хорошая ремонтопригодность.

По материалам компании Balver Zinn/Cobar.