Дефекты пайки при поверхностном монтаже

XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2020

Дефекты монтажа компонентов в отверстия печатных плат

В производстве приборов значительное место занимают монтажные работы, включающие установку и закрепление покупных и комплектующих деталей (триоды, резисторы, конденсаторы, полупроводниковые схемы, и др.) на платы, на шасси, на основание и т.п., а также их электрическое соединение между собой.

Под электромонтажом аппаратуры понимают ряд последовательных операций по соединению монтажными проводниками контактных выводов электроэлементов схемы. Различают электромонтаж внутренний и внешний. Внутренний электромонтаж предусматривает осуществление соединений внутри самого устройства (блока, узла, прибора и т.п.) посредством монтажных проводов и выводов электроэлементов схемы. Внешний электромонтаж заключается в изготовлении соединительных кабелей, предназначенных для осуществления комплексной электрической связи между отдельными функциональными блоками или узлами сложной системы.

Рассмотрим более подробно монтаж в отверстия.

Монтаж в отверстия, сквозной монтаж, выводной монтаж или монтаж ТНТ компонентов

Монтаж в отверстия — технология установки выводных компонентов и электронных узлов на печатные платы (ПП), при которой выводы компонентов монтируются в сквозные отверстия ПП. Технология постепенно уступает место поверхностному монтажу, однако продолжает применяться в изделиях большой электрической мощности и при больших механических нагрузках. Также в некоторых случаях монтаж в отверстия оказывается экономически выгоднее, например, при использовании дешевых алюминиевых электролитических конденсаторов, поверхностно монтируемые, аналоги которых ненадёжны, а их замена на дорогие танталовые конденсаторы не всегда оправдана.

При использовании данной технологии ключевым является предварительная подготовка выводов компонентов (формовка и обрезка с помощью специального оборудования). Компоненты фиксируются на плате с помощью подклейки или особого профиля формовки выводов. Пайка, как правило, выполняется ручным паяльником или на установках автоматической пайки волной припоя, либо с помощью установок селективной пайки. В некоторых случаях обрезка выводов выполняется после пайки.

Область применения монтажа в отверстиях

Данный вид монтажа применяется в силовых устройствах, блоках питания, высоковольтных схемах мониторов и других устройств и областях, в которых из-за повышенных требований к надежности большую роль играют традиции, доверие проверенному, например, авионика, автоматика АЭС и т.п..

Монтаж в отверстия ТНТ-компонентов осуществляется с применением специальных монтажных автоматов, автоматизированных рабочих мест (АРМ) либо полностью вручную.

Существует два основных вида автоматизированного оборудования по критерию выполняемых функций:

монтажные автоматы, осуществляющие вставку штырьковых выводов ЭК в отверстия на ПП, их подрезку и подгибку с обратной стороны ПП с помощью монтажных, гибочных и отрезных головок соответственно;

секвенсеры – автоматы формирования последовательности устанавливаемых ЭК (т.е. подготовки программной ленты, содержащей последовательно вклеенные ЭК разных типоразмеров в порядке их последующего монтажа; осуществляется путем переклейки ЭРЭ из первичных лент по программе.

Ручная установка осуществляется при помощи паяльника и комплекта монтажных инструментов.

Дефекты монтажа компонентов

Пайка – это сложный физико–химический процесс образования неразъёмного соединения деталей путём нагрева и заполнения зазоров между ними расплавленным припоем.

Условия получения качественного паяного соединения:

1. Очищение от оксидных плёнок паяемых поверхностей.

2. Нагрев соединяемых деталей до температуры ниже температуры расплавления материала деталей.

3. Расплавление припоя и заполнение зазора между соединяемыми деталями припоем.

4. Взаимодействие между паяемым материалом и расплавом припоя.

5. Кристаллизация жидкого припоя и его охлаждение.

6. Фиксация элементов должна обеспечивать их правильное взаимное расположение и исключать смещение в процессе затвердевания припоя.

7. Соблюдение теплового режима.

Для каждого вывода изделия электронной техники (ИЭТ), устанавливаемого на плату, должно быть предусмотрено отдельное монтажное отверстие или контактная площадка. Допускается устанавливать в отверстие по ГОСТ не более двух выводов ИЭТ.

При формовке выводов ИЭТ размером от корпуса ИЭТ до места изгиба вывода l₀ считают размер от корпуса ИЭТ до центра окружности изгиба вывода R, как указано на рис.1.

Рис.1.Пример правильной установки ИЭТ

При установке ИЭТ на печатные платы размером от корпуса до места пайки вывода считают размер от корпуса ИЭТ вдоль оси вывода от места приложения паяльника (размер определяющий расстояние между точками а и b вдоль оси вывода).

Несоблюдение данных рекомендаций может привести к образованию избыточных напряжений в месте крепления вывода к корпусу ИЭТ и в области изгиба вывода и, как следствие, появлению в этих местах трещин и, возможно, обрывов, в особенности при механических воздействиях на собранный узел. Не допускается изгибать жесткие выводы (лепестки) транзисторов и диодов средней и большой мощности, так как это может привести к растрескиванию их стеклянных изоляторов и нарушению герметичности корпусов. Расстояние от корпуса до места пайки должно быть не менее 2,5 мм, если не приняты меры к дополнительному теплоотводу в процессе пайки. Не осуществляют формовку, подгибку и обрезку при установке многовыводных электронных компонентов (ЭК): ИС в DIP-корпусе и пр. Для них может проводиться исключительно рихтовка (выравнивание) выводов, если в этом есть необходимость.

Основными дефектами монтажа компонентов в отверстия печатных плат также выделяют:

Наличие трещин в паяном шве (причина: быстрое охлаждение деталей после пайки).

Наличие пор в паяном шве (причина: высокая температура пайки, или интенсивное испарение флюса).

Не смачивание припоем поверхностей деталей (причина: большая загрязнённость поверхностей).

Не допускается холодная пайка;

Не допускается шероховатое место спая, морщинистое (рис.2.);

Рис.2. Пример дефекта при пайке

Не допускается пайка, на конце которой имеется острие (рис.3.);

Рис.3. Пример дефекта, острие с полукруглым концом удлиняет конец вывода компонента, выходящего из платы

Не допускается при пайке наличие полости дна, которой не видно.

Припой не заполняет монтажное отверстие на 75% от толщины печатной платы (рис.4.);

Рис.4. Пример дефекта, припой не смочил загнутый на контактную площадку вывод компонента и саму контактную площадку на 75% площади их соединения

Смещение и перекос паяных соединений (из-за плохого крепления изделия перед пайкой).

Основные дефекты при пайке печатных плат волной припоя [3] приведены в таблице.

Основные дефекты при пайке печатных плат волной припоя

Недостаточное заполнение отверстий припоем

Отсутствие припоя/плохое смачивание

Разбрызгивание шариков припоя определяется по очень маленьким сферическим каплям припоя, разбрызганных по поверхности печатной платы.

Продолжение таблицы 1

Сосульки и шипы припоя

Шероховатая, зернистая, «холодная» пайка, трещины в паяном соединении

Наплывы (избыточное количество) припоя

Производственниками не только выявлены виды дефектов пайки, но и установлены причины их возникновения, а также разработаны меры по их корректировке и предупреждению.

Меры предотвращения дефектов

Для избегания получения дефектов при монтаже ИЭТ в отверстия печатных плат необходимо:

Использовать в качестве связующего паяльных паст полимеры, переходящие при нагреве из твердого состояния в газообразное;

Пайку вести в контролируемой среде при минимальных температурах и выдержке; применить способ нагрева, обеспечивающий сокращение времени нагрева;

Проверить качество металлизации отверстий печатных плат (толщина покрытия должна быть не менее 25 мкм). Перед пайкой нагревать печатные платы с целью их дегазации. Повысить продолжительность пайки для удаления газообразных компонентов через расплав припоя;

Использовать оснастку и приспособления, обеспечивающие надежную фиксацию изделия в процессе пайки;

Контроль качества готовых паянных соединений включает следующие виды проверок:

Внешний осмотр. Проверяется качеством заделки проводов, отсутствие повреждений изоляции, надломов выводов элементов, аккуратность укладки проводов, отсутствие остатков флюса и т.д.

Проверка механической прочности монтажа. Осуществляется путем покачивания проводника или вывода ЭРЭ у места соединения. В условиях серийного и крупносерийного производства ответственных изделий проверка механической прочности монтажа производится на специальных вибростендах.

Проверка на соответствие монтажной схеме. Проверяется правильность расположения электроэлементов и соответствие их типу и номиналу, указанным в монтажной схеме. Проверка электрических соединений производится прозвонкой цепей с помощью измерительных приборов или по калибровочным картам. В условиях крупносерийного производства проверка монтажных соединений производится на автоматических установках, основанных на применении схем неуравновешенного моста.

Проверка электрической прочности монтажа. Производится на специальной пробивной установке. Блок испытывается в режиме подачи напряжения, превышающего рабочее напряжение.

Проверка выходных параметров.

Установка ИЭТ компонентов должна производиться в строгом соответствии с условиями, которые изложены в ГОСТ стандартах. Наличие дефектов приводит к тому, что работа печатных плат нарушается, а, следовательно, нарушается работа и устройства, в котором данная плата содержится.

С целью предотвращения подобных проблем каждая плата, после установки в ее отверстия компонентов, подвергается тщательному осмотру. Если на плате обнаружены дефекты монтажа, то она отправляется на переделку.

Автоматизация и механизация сборки и монтажа узлов на печатных платах. Под ред. В. П. Журавского. М.: Радио и связь. 1988.

Лэнгин И.Г., Маккленланд. Пер. с англ. Технология поверхностного монтажа — будущее в электронике. М.: Мир, 1990

Цуканов, А. И. Технологи монтажа и демонтажа узлов и элементов радиоэлектронной и радиотелевизионной аппаратуры [Текст]: учебно-методическое пособие. / А. И. Цуканов, О. В. Кучевасов ; СПб ГБ ПОУ «Колледж электроники и приборостроения». – СПб., 2017 – 105 с.

Основы технологии монтажа в отверстия. [Электронный ресурс]. URL : http :// www . elinform . ru / articles _5. htm (дата посещения: 23.12.2019).

Источник

Дефекты поверхностного монтажа при пайке бессвинцовым припоем

О компании

+7 (495) 221-69-21
+7 925 730-14-87

Наибольшее распространение получили сплавы олово-серебро-медь для бессвинцовой сборки SMT. Хотя есть и другие варианты, такие как сплавы, содержащие висмут или индий и другие элементы. Припои олово-серебро-медь, также известные как сплавы SAC, на сегодняшний день являются наиболее популярными. SAC припоем пользуются примерно 65% производителей электронного оборудования.

Особенности поверхностного монтажа с применением бессвинцового припоя

Бессвинцовый процесс SMT отличается от процесса с использованием паст, содержащих свинец (63/37), во многих аспектах. Четкое понимание этих различий при использовании сплавов SAC позволит инженерам-технологам внести необходимые изменения в процесс SMT и уменьшить дефекты пайки, повысить надежность сборки плат бессвинцовым припоем и сохранить высокую производительность.

Часто, когда производитель переходит на бессвинцовую пайку, наблюдается рост дефектов. Как правило, это связано с неправильно реализованным технологическим процессом. Опыт многих компаний, применяющих бессвинцовую пасту, показывает, что четко определенный, оптимизированный и контролируемый бессвинцовый процесс, позволяет избежать многих дефектов.

Основные различия между процессами SMT с добавлением свинца и без свинца кратко изложены ниже:

• Физические свойства припоя, температура плавления, поверхностное натяжение, окисление, потенциал выщелачивания металлов;
• Более высокие пиковые температуры;
• Более высокие температуры предварительного нагрева;
• Бессвинцовое покрытие поверхностей печатных плат и контактных площадок и выводов компонентов
• Флюсы для пайки и поверхностные эффекты;
• Различия в паяемости, такие как скорость смачивания и растекания;
• Худшее самоцентрирование или выравнивание компонентов.

Оплавление

Температура оплавления SAC-сплавов 217-220°C; это примерно на 34°C выше точки плавления припоя с свинцом 63/37. Более высокая температура плавления требует, чтобы пиковые температуры для достижения смачивания и капиллярности находились в диапазоне 235–245°C. При использовании плат с более низкой теплоемкостью (небольшой массой) припоями SAC можно использовать более низкие пиковые температуры до 229°C, однако использование более низкой пиковой температуры может потребовать большего времени удержания пасты и изделия при температуре выше температуры оплавления (TAL).

Высокая температура термопрофиля вынуждает использовать другие химического составы флюсов для паяльной пасты. Флюс в паяльной пасте составляет почти 50% от общего объема. Его ингредиенты характеризуют реологические свойства пасты, ее свойства к трафаретной печати, предотвращение холодной и горячей осадки, стойкость к налипанию на трафарет и др.

Поскольку предварительный нагрев задействован до момента оплавления, система флюсования предотвращает горячее оседание, окисление металлов, подлежащих соединению, нейтрализует окислы порошка припоя и удаляет оксиды соединяемых металлов. Таким образом, система флюсования обеспечивает поверхность припоя, свободную от оксидов, что способствует растеканию припоя.

После завершения оплавления система флюсования подлежит удалению в воде, если это паста, смываемая водой, либо остается на плате, не образуя окислов, если это паста, не требующая очистки.

Состав флюса

Основные ингредиенты флюса для паяльной пасты можно описать следующим образом:

• Смолы твердые и жидкие;
• Активаторы, органические кислоты;
• Растворители;
• Связывающие агенты;
• ПАВ;
• Хелатирующие агенты.

Производителям паяльной пасты пришлось пересмотреть большинство этих ингредиентов, чтобы приспособить пасты к более высоким температурам, возникающим при оплавления. Большинство из этих ингредиентов являются органическими соединениями. Термическая стабильность которых до 245°C важна, чтобы избежать разрушения, окисления и полимеризации флюса при оплавлении.

Бессвинцовые паяльные пасты, разработанные для измененного технологического процесса, обязательны к применению и помогают предотвратить дефекты монтажа.

Типичные дефекты, связанные с бессвинцовой пайкой оплавлением

• Перемычка;
• Шарики припоя;
• Слипание шариков;
• Плохое смачивание;
• Пустоты;
• Могильный камень;
• Осушение.

Перемычки и шарики припоя

Первые три дефекта — перекрытие, шарики припоя и слипание шариков могут возникнуть из-за неправильного выбора паяльной пасты. Так как при использовании бессвинцовой пасты температура предварительного нагрева выше, то критически важны свойства пасты, характеризующие спекание частичек припоя; необходимы паяльные пасты с хорошим спеканием при более высоких температурах, например, 185°C. Традиционная паста с добавлением свинца 63/37 при такой температуре уже расплавилась и потекла, а наполнители пасты разрушились.

На рисунке (ниже по тексту) показано качество спекания двух паяльных паст SAC.

Рис. 1. Два образца паяльных паст, оплавленных при температуре 180°C

Обе пасты пропускали через печь оплавления при 180°C. Паста B обладает лучшими характеристиками оседания (спекания) при нагревании, чем паста A, и с меньшей вероятностью вызовет перемычки, шарики припоя или образование комков в средней части контактных площадок. Для электронных компонентов с мелким шагом выводов крайне важно выбрать бессвинцовую пасту с термостабильным наполнителем.

Рис. 2. Процесс миграции в сторону уменьшения шага выводов

Плохое смачивание выводов и контактных площадок

Платы без дополнительного покрытия (из чистой меди), прошедшие более одного теплового цикла, склонны к неполному смачиванию контактных площадок. В то время как, платы, покрытые оловом или иммерсионным серебром, показывают гораздо лучшее распределение припоя.

Покрытия Ni/Au

Если никель не подвергается воздействию примесей или оксидов, обычно хорошо паяется. Ниже приведены два примера: один со сплавом SAC на меди, а другой — с иммерсионным серебром; оба QFP были оплавлены на воздухе с использованием флюса типа ROLO с пастой SAC, не требующей очистки.

Рис. 2. Пайка выводов корпусов QFP с примением SAC-сплавов на площадках из чистой меди (а) и площадки, покрытые иммерсионным серебром (б)

Бессвинцовые припои очень критичны к выбору температурного профиля, поскольку диапазон пиковой температуры значительно уже припоев со свинцом. Так, сплавы SAC плавятся при 217°C, тогда как пиковая температура должна находиться в диапазоне 235-245°C. Поэтому плохая паяемость, недостаточное смачивание, также могут быть результатом некорректного температурного профиля.

Пайка BGA микросхем

В настоящее время применение BGA корпусов микросхем достаточно распространено. Сборка плат с BGA корпусами требует особой деликатности и подхода. Необходимо помнить о том, что распределение тепла по плате не всегда равномерно. В областях платы, где размещены массивные теплоемкие элементы может наблюдаться локальное уменьшение температуры, вызванное поглощением тепла теплоемкими элементами. В конечном счете это может привести к снижению качества пайки.

Рис. 4. Измерение температуры выводов корпуса BGA корпуса (контрольная плата)

Для подбора оптимального температурного профиля при использовании корпусов BGA необходимо использовать испытательную плату. Испытательная плата это прототип платы устройства, которая приспособлена для установки температурных щупов путем установки в отверстия в плате. В дальнейшем данная плата не может быть использована по назначению. На рис. 4 показан способ изменения температуры непосредственно на шарах BGA корпуса микросхемы, что является наиболее информативным способом. После сборки тестовой платы, желательно произвести детальное исследование качества пайки с применением оборудования оптического или рентгеновского контроля.

Рис. 5. Результаты пайки разной температурой. (а)- дефект пайки вызванный недостаточным нагревом, (б) — результат чрезмерного нагрева, (в) — пайка оптимальной температурой

На фото слева показаны шары, которые не подверглись оплавлению из-за недостаточной температуры, т.е. ниже 217°C. Конечно, этого можно избежать, если пайка будет производиться с корректным температурным профилем в печи оплавления.

На фотографии в центре продемонстрирован случай, когда пайка BGA производилась при высокой температуре. Измерение температуры на тестовой плате показало значение приближающееся к 265°C на самом контактном шаре.

На фото справа показано правильная осадка шаров из бессвинцового припоя. Пайка производилась с правильно установленным тепловым профилем. Зазор между поверхностью платы и корпусом BGA микросхемы может быть больше у бессвинцового SAC из-за его более высокого поверхностного натяжения.

Причины плохого смачивания бессвинцового припоя:

• Низкий уровень активности паяльной пасты;
• Высокая температура предварительного нагрева;
• Большое время предварительного нагрева;
• Недостаточное время удержания припоя в расплаве;
• Окисление соединяемых деталей.

В отличии от паяльных паст для оловянно-свинцовых систем, паста для сплавов SAC в активном состоянии находится при температуре 217°C и выше.

Припои олово-серебро-медь обладают более медленным смачиванием металлических поверхностей и для достижения хорошего впитывания и растекания припоя необходимо время. Обычно диапазон составляет 60-90 секунд с пиковыми температурами 235-245°C.

Если есть опасения, что поверхности, подлежащие пайке окислены, то желательно проверить паяемость с помощью методов испытаний, таких как испытание скорости смачивания.

Пустоты в бессвинцовых соединениях и BGA

Достаточно много материала о предотвращении образования пустот при пайке бессвинцовыми паяльными пастами, содержащими олово-серебро-медь. Избыточные пустоты в паянных соединениях снижают надежность, особенно в тех случаях, когда оборудование подвергается термоциклированию, вибрации или деформации. Кроме того, пустоты могут снизить теплопроводность и проводимость соединения. Однако, мелкие пустоты в некоторых случаях могут позитивно сказываться на надежности, поскольку за счет изменения структуры соединения уменьшается вероятность возникновения трещин способных нарушить электрическое соединение. Пустоты могут снимать напряжение, отчасти из-за упругости воздушных карманов.

Причины появления пустот в соединениях:

• Химический состав паяльной пасты;
• Эффекты поверхностного натяжения припоя;
• Температурный профиль;
• Окисление внешней поверхности паяных соединений;
• Геометрическая форма соединения;
• Тип финишного покрытия печатной платы и компонентов;
• Процесс удаления газа из припоя во время оплавления.

Рис. 6. Пустоты, возникшие при пайке (а)-QFP корпуса, (б)-BGA корпуса

Бессвинцовые сплавы SAC обладают более высоким поверхностным натяжением по сравнению с 63/37. Выбирая паяльную пасту с химическим составом флюса, рассчитанным на более высокий предварительный нагрев и пиковые температуры, вы с большой вероятность избежите образование пустот в паянном соединении.

Увеличение времени предварительного нагрева и времени после оплавления пасты уменьшает количество пустот. Однако не следует забывать о том, что почти все электронные компоненты критичны к времени воздействия высокой температуры, поэтому увеличение времени преднагрева и оплавления должно четко сочетаться с техническими требованиями к температурному профилю применяемых компонентов.

В некоторых случаях важную роль играет геометрия соединений. Компоненты поверхностного монтажа часто имеют контактные площадки с вертикальными поверхностями, поэтому выход пузырьков газа происходит по более длинной траектории, которая лежит вдоль вертикальной поверхности, кроме того, затруднена шероховатостью самой поверхности, что приводит к возникновению пустот.

Дефект «надгробного камня»

Как говорилось ранее, припои без свинца обладают более низким смачиванием, поэтому возникновение дефекта, связанного с подъемом мелких компонентов так называемый дефект «надгробного камня», может происходить гораздо чаще, чем при использовании припоя 63/37. Чтобы уменьшить количество подобных дефектов, необходимо обратить внимание на точность установки компонентов, поскольку центрирование (выравнивание) компонентов на бессвинцовом припое происходит менее выраженно.

Также, провоцирует возникновение дефекта «надгробный камень» паяльные пасты, с обильным выделением газа на начальных этапах плавления припоя.

Смачивание

Плохое смачивание происходит из-за недостаточной активности флюса. Однако с пастами, смываемыми водой, плохая смачиваемость происходит достаточно редко, поскольку флюс в пасте обладает высокой активностью. Паяльные пасты с более низкой активностью категории ROLO, не содержат галогеннов, поэтому отсутствие смачивания проявляется при пайке площадок, покрытых органическими соединениями или сплавом Ni/Au при наличии на нем окислов никеля или загрязнений.

Ниже приведены результаты испытаний. На две пластины с разным покрытием была нанесена паяльная паста, затем тестовые образцы были оплавлены с использование температурного профиля, рекомендованного производителем. На рисунке справа показано плохое смачивание, на рисунке слева удовлетворительное.

Рис. 7. Смачивание площадок припоем без свинца. (а) плохое смачивание, (б) удовлетворительное смачивание

Способы уменьшения или предотвращения плохого смачивания при пайке бессвинцовым припоем:

• Используйте пасту SAC сохраняющую высокую активность вплоть до температуры плавления — 217°C;
• Убедитесь, что соединяемые поверхности не окислены;
• Уменьшите время предварительного нагрева или температуру, чтобы сохранить активность флюса;
• Увеличьте время нахождения припоя в расплавленном состоянии выше (217°C), если позволяет активность флюса.

Матовость и поверхностные эффекты при использовании бессвинцового припоя

Сплавы SAC обладают меньшей отражающей способностью, чем сплавы 63/37, поэтому галтель выглядит более матово — без блеска. Это не считается дефектом.

Если пайка производится в конвекционной печи, припой SAC не блестящий с поверхностными дефектами, такими как растрескивание, которые возникают из-за интерметаллидов и окислами в припое.

При использовании атмосферы из инертных газов — азота, места пайки будут иметь более высокую отражающую способность.

Ниже две фотографии. Слева — 63/37, сплава припой SAC305.

Рис. 8. Внешний вид соединений в воздушной среде. (а) — оловянно-свинцовым припоем, (б) — бессвинцовым припоем

Более низкие пиковые температуры и меньшее время, нахождения припоя в расплавленном состоянии, уменьшает как эффекты связанные с появлением интерметаллидов, так и увеличат блеск паяных соединений.

Рис. 9. Внешний вид соединений в воздушной среде с уменьшенным временем удержания припоя в расплавленном состоянии. (а) — оловянно-свинцовым припоем, (б) — бессвинцовым припоем

Таким образом, переход на бессвинцовую технологию требуют надлежащего подхода. Операторам необходимо будет предоставить критерии приемлемости качества паяных соединений, которые будут сильно отличаться от традиционных с применением припоя содержащим свинец.

Источник